鋁合金激光焊接技術(shù)

1、一、鋁合金激光焊接的開展 鋁合金密度低,但強度比擬高,塑性好,可加工成各種型材,具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性,在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中已大量應(yīng)用.鋁合金的廣泛應(yīng)用促進了鋁合金焊接技術(shù)的開展,同時焊接技術(shù)的發(fā) 展乂拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域,因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點之一. 不過,鋁合金本身的特性使得其相關(guān)的焊接技術(shù)面臨著一些亟待解決的問題：外表難溶的氧化膜、接頭軟化、易產(chǎn)生氣孔、容易熱變形以及熱導率過大等.以往的生產(chǎn)實踐中,鋁合金的焊接常用鴇極氧弧焊和熔化極氧弧焊.雖然這兩種焊接方式能量密度較大,焊接鋁合金時能獲得良好的接頭,但仍然存在熔透水平差、焊接變形大、生

2、產(chǎn)效率低等缺點.用這些傳統(tǒng)的、應(yīng)用丁黑色金屆的焊接方法焊接鋁合金,并不能到達工業(yè)上高效、無缺陷、性能佳的要求,丁是人們開始尋求新的焊接方法,2020 世紀中后期激光技術(shù)逐漸開始應(yīng)用丁工業(yè).歐洲空中客車公司生產(chǎn)的 A340A340 飛機機身,就采用激光焊接技術(shù)取代原有的釧接工藝,使機身的重量減輕 18%18%左右,制造本錢降低了近 25%25%.德國奧迪公司A2A2和A8A8 全鋁結(jié)構(gòu)轎車也獲益丁鋁合金激光焊接技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用.這些成功的事例大大促使對激光焊接鋁合金的研究,激光技術(shù)已經(jīng)成為了未來鋁合金焊接技術(shù)的主要開展方向,由于具有其獨特的優(yōu)點： (1)(1) 能量密度高,熱輸入量小,焊接變形小

3、,能得到窄的熔化區(qū)和熱影響區(qū)以及熔深大的焊縫. (2)(2) 冷卻速度快,焊縫組織微細,故焊接接頭性能良好. (3)(3) 焊接能量可精確限制,可靠性高,針對不同的要求有較高的適應(yīng)性. (4)(4) 可進行微型焊接或?qū)崿F(xiàn)遠距離傳輸,不需要真空裝置,利丁大批量自動化生產(chǎn). 二、鋁合金的難點及解決舉措 1.1. 鋁合金外表的高反射性和高導熱性 這一特點可以用鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)來解釋.由丁鋁合金中存在密度很大的自由電子,自由電子受到激光(強烈的電磁波)強迫震動而產(chǎn)生次級電磁波,造成強烈的反射波和較弱的透射波,因而鋁合金外表對具有較高的反射率和很小吸收 率.同時,自由電子的布朗運動受激而變得更為劇烈,所

4、以鋁合金也具有很高的 導熱性. 針對鋁合金對激光的高反射性,國內(nèi)外學者都作了大量研究,試驗結(jié)果說明,進行適當?shù)耐獗眍A處理如噴砂處理、砂紙打磨、外表化學浸蝕、外表鍍、石墨涂層、空氣爐中氧化等均可以降低光束反射,有效地增大鋁合金對光束能量的吸收.另外,從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮,在鋁合金外表人工制孔或采用光收集器形式接頭,開 V V 形坡口或采用拼焊拼接間隙相當丁人工制孔方法,都可以增加鋁合金對激光的吸收,獲得較大的熔深.另外,還可以利用合理設(shè)計焊接縫隙來增加鋁合金外表對激光能量的吸收如圖 1 1.從圖上可以直觀的反響出,將焊縫和激光束的位置關(guān)系由圖 1 1a a改為圖 1 1b b或圖 1 1c c

5、,使激光束與縫壁有一定角度后,激光束能夠在縫隙內(nèi)屢次反射,形成一個人工小孔,增加了焊件對激光能量的吸收. 但 圖 1 1 改變焊縫幾何形狀 2.2. 小孔的誘導和維持 小孔的誘導和維持是鋁合金中的特有困難,這是由鋁合金材料特性和激光光學特性造成的.的過程中,小孔可看成是鋁合金的黑體,能大大提升材料對激光的吸收率,為母材獲得更多的能量耦合,這有利丁提升焊接接頭的質(zhì)量.但由丁鋁合金的高反射性和高導熱性,要誘導小孔的形成就需要激光有更高的能量密度.而鋁元素以及鋁合金中的MgZnMgZn、LiLi 沸點低、易蒸發(fā)且蒸汽壓大,雖然這有助丁小孔的形成,但等離子體的冷卻作用等離子體對能量的屏蔽和吸收,減少了

6、激光對母材的能量輸入使得等離子體本身“過熱,卻阻礙了小孔維持連續(xù)存在. 由丁能量密度閾值的上下本質(zhì)上受其合金成分的限制,因此可以通過限制工 藝參數(shù),選擇確定激光功率保證適宜的熱輸入量,有助丁獲得穩(wěn)定的焊接過程. 另外,能量密度閾值一定程度上還受到保護氣體種類的影響.研究說明,鋁合金 時使用 N N 氣時可較容易地誘導出小孔, ,而使用 HeHe 氣那么不能誘導出小孔.這是因為 N N2和 AlAl 之間可發(fā)生放熱反響,生成的 AlAl- -N N- -O O 三元化合物提升了對激光吸收率. 三、容易產(chǎn)生的缺陷及消除方法 1.1. 氣孔 的主要缺陷之一是氣孔,焊縫氣孔的形成機理比擬復雜,一般認為

7、存在兩類氣孔：氫氣孔和由丁小孔的破滅而產(chǎn)生的氣孔.氫氣孔是由丁氫 主要來自表層的濕氣與微量水在熔池金屆中的可溶性引起的,激光焊接冷卻速度極快,導致氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔.由丁小孔塌陷而形成的孔洞,主要是由丁小孔外表張力大丁蒸氣壓力,不能維持穩(wěn)定而塌陷,液態(tài)金屆來不及填充就造成孔洞.另外,低熔點、高蒸氣壓合金元素蒸發(fā)導致氣孔,外表氧化膜在焊接過程中溶解到熔池中也會形成氣孔. 從氫氣孔的形成原理可知,表層物質(zhì)是氫元素的主要來源,因此選擇正確的焊前外表預處理可以有效地減少氫氣孔的產(chǎn)生.對丁由小孔塌陷引發(fā)的氣孔,那么要求選擇適當?shù)谋Ｗo氣體并合理限制流量流速,在條件允許下采用高功率、高速度、大離焦

8、量 負值的焊接方式,可以進一步消除氣孔的產(chǎn)生. 2.2. 熱裂紋 鋁合金的焊接裂紋都是熱裂紋,與冷卻時間或焊接速度密切有關(guān),主要有結(jié)晶裂紋和液化裂紋.鋁合金激光焊接產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋是由丁焊縫金屆結(jié)晶時在晶界處形成低熔點共晶化合物導致的,焊縫金屆氧化生成的 AIAI2O O 和 AlNAlN 也會 成為微裂紋的擴展源.液化裂紋是熔化的鋁合金在凝固過程中局部塑性變形量超過其本身所能承受的變形量的結(jié)果. 目前常用的消除熱裂紋的方法是使用填充材料,即填絲,這能有效地預防焊接熱裂紋,提升接頭強度.此外,調(diào)整激光能量的輸入方式,合理選擇脈沖點焊時的脈沖波形,焊縫熔化凝固重復進行,以降低熔池凝固時的凝固速度,

9、這種在凝固過程中增加熱循環(huán)的限制方法同樣可以減少結(jié)晶裂紋. 3.Mg3.Mg、ZnZn 等元素的燒損 使用時,焊縫的加熱和凝固速度都非常快,這使得MgZnMgZn等低熔點強化元素發(fā)生燒損,導致焊縫硬度和強度下降.MgMg 的沸點為 1380K,1380K,比 AlAl 的 27272727 K K 低,MgMg 首先蒸發(fā)燒損.燒損現(xiàn)象使得焊縫成型時的晶粒大小嚴重不均勻,從金屆學角度講,大晶粒的存在破壞合金元素的強化作用,導致焊縫的強度明顯比母材低. 預防合金元素的燒損主要從限制合金成分入手,在保證鋁合金質(zhì)量和接頭要求的前提下,降低 MgMg 的含量,添加 MnSiMnSi 等元素. 四、鋁合金

10、激光焊接的工藝參數(shù) 的工藝參數(shù)主要有：功率密度、焊接速度、焦點位置、保護氣體種類及流量等,它們直接決定著焊縫成形. 1.1. 功率密度 激光的功率密度是決定焊縫熔深的最主要因素.當其他工藝參數(shù)保持不變時, 隨著功率密度的增大,焊縫深寬比增大.由于功率密度增大時,蒸汽壓力能克服熔化成液態(tài)金屆的外表張力和靜壓力而形成小孔,小孔有助丁吸收光束能量一一 “小孔效應(yīng).但是如果功率密度過大,使金屆強烈汽化,嚴重燒損合金,焊縫成型組織的晶粒過大,焊縫的硬度和強度均下降.并且,大量的光致等離子體的冷卻和屏蔽作用,使得熔深反而下降. 2.2. 焊接速度 在其他工藝參數(shù)不變的情況下,熔深隨焊速的增加而減小,焊接效

11、率隨焊速的增加而提升.但是速度過快,到達焊縫處的線能量密度較低,會使熔深達不到焊接要求；速度過慢,那么線能量密度過高,母材過度熔化和燒損,降低接頭性能,甚至引發(fā)熱裂紋.因此,對一特定厚度的鋁合金工件,選擇確定激光功率密度之后,存在著既能維持適宜的焊縫深寬比乂不會使工件過熱的最正確焊速,這可以從 以往的生產(chǎn)實踐中總結(jié)經(jīng)驗或者查閱相關(guān)文獻獲得. 3.3. 焦點位置 研究說明,的焦點位置與熔深的關(guān)系如圖2 2所示.我們可以看出,熔深隨焦點位置的變化有一個跳躍性變化過程：當焦點處丁偏離工件外表較大(2mm)(2mm)時,工件外表光斑尺寸較大,因此光束能量密度較低,屆丁以熱傳導為主的熔化焊,熔深較淺；而

12、當焦點靠近工件外表某一位置(2mm)(2mm)時,工件外表入射光束能量密度值增大到臨界值,產(chǎn)生小孔效應(yīng),因此熔深發(fā)生跳躍性增加.經(jīng)試驗得到,當焦點位置在工件外表上方 1mm1mm 處時焊縫熔深最大. 圖 2 2 焦點位置對焊縫熔深的影響 4.4.保護氣 和電子束焊接相比,激光焊接不需要真空環(huán)境,但焊接鋁合金需采用保護氣體,其目的是抑制光致等離子體,并排除空氣使焊縫免受污染.光致等離子體的形成不僅來自被離子化的金屆母材蒸汽,而且和保護氣體本身性質(zhì)也有很大的關(guān)系.通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復合速率,以降低等 離子體中的電子密度.中性原子越輕,碰撞頻率越高,復合速率越高；另一方

13、面,保護氣體本身的電離能應(yīng)該高,不致因氣體本身的電離而增加電子密度.鋁合金激光焊接傳統(tǒng)上采用的保護氣體主要有三種：ArAr、N N、HeHe.理論上 HeHe 最輕且電 離能最高,但是在較低功率、較高焊速下,由丁等離子體很弱,不同保護氣體差別很小.研究說明,在相同條件下,使用 N N 容易誘導小孔,主要是 M M 和 AlAl 之間可發(fā)生放熱反響,生成的AlAl- -N NO O 三元化合物對激光的吸收率要高一些,純M M 會在焊縫中產(chǎn)生AlNAlN 脆性相,同時易形成氣孔.而采用惰性氣體保護時,由丁質(zhì)輕而逸出,氣孔形成機率小,因此采用混合氣體保護效果較好.現(xiàn)在也有采用 ArAr- -0 02

14、,N2N2- -0 02等氣體進行的研究越來越多. 五、先進的鋁合金激光焊接技術(shù) 1.1. 鋁合金的激光- -電弧復合焊 現(xiàn)在還處丁開展階段,設(shè)備本錢高、接頭間隙允許度小、工件準備工序要求嚴等制約了純激光焊接鋁合金的應(yīng)用.目前,激光-電弧復合焊在德國和日本等興旺國家研究比擬多,激光-電弧復合主要是激光與 TIGTIG 電弧、MIGMIG 電弧及等離子體復合,分別如圖3 3、4 4 所示.這種工藝在汽車制造業(yè)中已有一定的應(yīng)用,如德國群眾汽車公司的 PhaetonPhaeton前門上就有 4848 處激光- -MIGMIG 焊道,而且還可以用來焊接車體及輪軸.鋁合金激光-電弧復合焊很好地解決了激光

15、焊接的功率、鋁合金外表對激光束的吸收率以及深熔焊的閾值等問題.這是由于焊接鋁合金時,激光與電弧的相互影響,可以克服單用激光或電弧焊方法自身的缺乏,產(chǎn)生良好的復合效應(yīng)兩種熱源同時作用在一個相同區(qū)域的疊加效應(yīng)高的能量密度導致了高的焊接速度,顯著提升焊接效率. 圖 3 3 激光- -TIGTIG 復合焊接鋁合金原理圖 圖 4 4 激光- -MIGMIG 復合焊接鋁合金原理圖 2.2. 鋁合金的雙光束激光焊接 單束激光焊接鋁合金時,由丁小孔的塌陷而容易產(chǎn)生氣孔.李俐群10等學者研究說明,采用如圖 5 5 所示的雙光束焊接鋁合金,焊縫成形美觀、無飛濺或凹坑等缺陷,對焊接參數(shù)適應(yīng)性更好；等離子體穩(wěn)定性提升

16、；氣孔大大減少.這是因為采用雙光束激光焊接時,第一束激光產(chǎn)生熔池,并對焊接區(qū)域附近進行預熱積累熱量.當?shù)诙す庹丈湓撎帟r,更多的母材能夠熔化,從而使得形成焊縫更寬.同時,第二束激光能把第一束激光形成的小孔后壁氣化,預防其塌陷,大大減小了形成氣孔的幾率.雙光束激光焊接鋁合金的技術(shù)已經(jīng)在德國軍用飛機 EADSSEADSS 氣管的焊接上得到了應(yīng)用. 圖 5 5 雙光束激光焊接鋁合金的原理圖 3.3. 鋁合金激光填絲焊技術(shù) 在新興的鋁合金焊接技術(shù)中,攪拌摩擦焊需要針對被焊母材的形狀和接口要求設(shè)計專用夾具,鋁合金激光填絲技術(shù)那么解決了對工件裝火、拼裝要求嚴的問題,而且用較小功率激光器就能實現(xiàn)厚板窄焊道的多層焊.另外通過調(diào)節(jié)焊絲成分,改善焊縫區(qū)組織性能,對裂紋等缺陷更易限制,顯著提升鋁合金焊接穩(wěn)定性與適應(yīng)性.鋁合金激光填絲焊示意圖如圖 6 6 所示. 圖 6 6 鋁合金激光填絲焊示意圖 六、的前景展望 前面已經(jīng)提到,日本和德國等興旺國家已經(jīng)開始將激光焊接鋁合金應(yīng)用丁汽車制造業(yè).由丁鋁合金具有高比強度、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、再生性好和簡化結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)點,在汽車業(yè)中倍受宵睞.大量的比照研究和反復實踐證明,選用鋁合金材料是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑.減輕汽車重量