鋁合金先進(jìn)焊接工藝

鋁合金先進(jìn)焊接工藝鋁合金激光-電弧復(fù)合焊工藝中可控參數(shù)較多,主要有以下幾方面。

①激光功率和電弧電流電壓等:復(fù)合焊接對(duì)激光功率要求降低,同時(shí)功率因素對(duì)工藝影響很大,激光功率越大,熔深越大,而且這種影響力遠(yuǎn)大于激光單獨(dú)焊接時(shí)對(duì)熔深的影響,增加電弧電源功率,熔化區(qū)寬度增加,熱影響區(qū)增大,若采用脈沖YAG激光器,可調(diào)節(jié)脈沖頻率和寬度以能提高工藝穩(wěn)定性,減少氣孔的形成;

②焊接速度參數(shù):隨焊接速度的增加,焊接熱輸入降低,焊縫熔深降低,而且不同的焊接速度影響匙孔的作用有所不同,從而影響焊接的穩(wěn)定性;

③激光與電弧中心的距離:在一定范圍內(nèi),激光與電弧中心距DLA11越小則熔深越大,此時(shí)增加電弧電流不僅增加熔寬,而且增加熔深;

④激光與電弧配合方式:國際上對(duì)復(fù)合焊的研究一般采用激光垂直入射,電弧與激光束成一定角度,沿焊接方向激光或在電弧前或在電弧后,不同的設(shè)計(jì)安排影響復(fù)合焊接的工藝穩(wěn)定性和焊接氣孔、裂紋的形成;

⑤填充材料的影響:通過填充焊絲、粉末來補(bǔ)充合金元素的燒損,增加焊縫強(qiáng)度,改善工藝性能,防止熱裂紋;

⑥保護(hù)氣體成分及流速:復(fù)合焊中保護(hù)氣體一般為Ar、He或Ar/He混合氣體,Ar的電離能低,易于形成等離子體,與激光束光子形成耦合作用,不利于保護(hù),所以純He氣比純Ar氣保護(hù)效果好,但從經(jīng)濟(jì)角度來看Ar氣更經(jīng)濟(jì)一些,國外有用Ar75%+He25%混合氣保護(hù)進(jìn)行激光焊接,效果良好,且可改善工藝性能。其它還有一些因素影響,如焊前鋁合金表面的清潔,氧化膜的去除,焊后熱處理等。當(dāng)焊接高強(qiáng)度厚板鋁合金時(shí),可采用多道焊工藝達(dá)到完全熔透焊接,但厚板鋁合金焊接易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋及焊縫軟化等問題,且其過程比較復(fù)雜。厚板鋁合金焊接變形嚴(yán)重,所以必須采用一些防變形的工藝[10～12]。

2.4鋁合金的電子束焊接

電子束焊是指在真空環(huán)境下,利用會(huì)聚的高速電子流轟擊工件接縫處產(chǎn)生的熱能,使被焊金屬熔合的一種焊接方法。電子束作為焊接熱源的突出特點(diǎn)是功率密度高、穿透能力強(qiáng)、精確、快速、可控、保護(hù)效果好。對(duì)于鋁合金電子束焊接,由于能量密度高可大大減小熱影響區(qū),提高焊接接頭強(qiáng)度,避免熱裂紋等缺陷的產(chǎn)生。由于能量密度高,穿透能力強(qiáng)可對(duì)難以焊接的鋁合金厚板進(jìn)行焊接。

同傳統(tǒng)電弧焊接鋁合金相比,電子束焊能量密度高3～4個(gè)數(shù)量級(jí),與另外一種高能量密度焊接工藝——激光焊接相當(dāng)。因此焊接接頭的熱影響區(qū)非常小,接頭強(qiáng)度較傳統(tǒng)焊接方法提高很多。電子束的穿透性能好,可對(duì)大厚度的鋁合金進(jìn)行施焊,焊后接頭力學(xué)性能良好。鋁合金焊縫金屬的抗裂性能隨著焊接能量密度的增加和熱輸入的減少而增加[13]。所以鋁合金電子束焊接接頭的抗裂性能要比采用傳統(tǒng)焊接方法的焊接接頭高很多,一般要比氬弧焊焊縫高出1～1.5倍。鋁合金電子束焊焊后殘余應(yīng)力小,變形小,對(duì)薄板焊后幾乎可做到不變形。電子束焊要求在真空條件下完成,真空是最好的保護(hù)手段,在這種條件下可以得到純凈的焊縫金屬,避免了空氣或保護(hù)氣體的污染。電子束焊接鋁合金在真空重熔時(shí),焊縫中雜質(zhì)含量微乎其微,焊縫氣體含量降低接近一半,從而焊縫塑性、韌性大大提高。電子束可控性好,可以方便地進(jìn)行掃描、偏轉(zhuǎn)、跟蹤等,易于焊接過程的自動(dòng)化,并且通過電子束掃描熔池可以消除缺陷,提高接頭質(zhì)量[14]。

電子束焊接獲得優(yōu)良的焊縫的最有效方法是焊接過程中同時(shí)對(duì)剛剛焊過的焊縫進(jìn)行掃描。回掃間距決定晶粒細(xì)化的可控程度,凝固組織可由粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)化為細(xì)小等軸晶。對(duì)AlMg0.4Si1.2合金進(jìn)行掃描焊接與無掃描焊接相比,晶體主軸長(zhǎng)度減少到無掃描焊接時(shí)的1/5;焊縫硬度提高80%,接近母材水平。鋁合金焊縫金屬晶粒細(xì)化程度對(duì)接頭性能有重要影響。采用具有回掃運(yùn)動(dòng)的電子束掃描焊接,可減少合金元素的損失,細(xì)化焊縫組織,使之變?yōu)榧?xì)小的等軸晶,并提高硬度。對(duì)于已經(jīng)成核生長(zhǎng)的晶體,如果電子束掃描間距過小在電子束掃描時(shí)產(chǎn)生重熔,但導(dǎo)致電子束回掃細(xì)化晶粒的作用減弱[15]。圖6為晶體主軸長(zhǎng)度與焊縫金屬硬度的關(guān)系,圖7為掃描頻率fs和焊接速度v、焊縫金屬晶體主軸長(zhǎng)度L的關(guān)系。

鋁合金電子束焊時(shí)對(duì)電子束流非常敏感,尤其是對(duì)于大厚度鋁合金板焊接時(shí),電子束流小時(shí)不能焊透,大時(shí)產(chǎn)生下塌,出現(xiàn)凹坑。鋁合金電子束焊接的另外一個(gè)難點(diǎn)是焊接氣孔。鋁合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3和MgO,容易吸收大量的水分是鋁合金焊縫中氣孔的主要來源。鋁合金表面氧化膜比重接近基體,容易進(jìn)入焊縫產(chǎn)生夾雜、氣孔。尤其是防銹鋁合金電子束焊,氣孔問題較為嚴(yán)重。傳統(tǒng)TIG焊鋁合金時(shí)通常采用大的熱輸入量并在較低的焊接速度下進(jìn)行焊接,促使氫從熔池中逸出,而電子束焊接鋁合金時(shí)速度快,熱輸入量小,氫來不及從熔池中逸出,容易形成氣孔。通常電子束焊鋁合金采用表面下聚焦和較窄的焊縫以及掃描重熔的方法來防止氣孔的產(chǎn)生。另外,電子束焊接要求在真空條件下進(jìn)行,所以對(duì)鋁合金大型結(jié)構(gòu)件施焊困難。電子束易受周圍環(huán)境電磁場(chǎng)的影響,設(shè)備比較復(fù)雜,費(fèi)用比較昂貴,所以還沒有達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

近年來發(fā)展的局部真空電子束焊接工藝很好地解決了鋁合金電子束焊接大型構(gòu)件的問題[16]。Drauge2lates等人成功地對(duì)AlMg5Mn和AlMg0.4Si1.2合金進(jìn)行了局部真空高速電子束焊接,結(jié)果表明,在60m/min的高速下焊接可生產(chǎn)出無焊接缺陷的焊縫,可見局部真空電子束焊接鋁合金具有相當(dāng)好的發(fā)展前景,是焊接鋁合金的一種先進(jìn)工藝[17]。

3結(jié)論

(1)攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接工藝,所以焊接鋁合金不出現(xiàn)熔焊時(shí)的各種缺陷,接頭性能良好,對(duì)于焊接性不好以及以前不能焊接的鋁合金,可以有效地進(jìn)行施焊。

(2)激光焊接是一種高能密度的焊接工藝,焊接鋁合金可以有效防止傳統(tǒng)焊接工藝產(chǎn)生的缺陷,強(qiáng)度系數(shù)提高很大。但激光器功率一般都比較小,對(duì)鋁合金厚板焊接困難,同時(shí)鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率很低,以及要達(dá)到深熔焊時(shí)存在閾值問題,所以工藝上有一定難度。

(3)鋁合金激光-電弧復(fù)合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率以及深熔焊的閾值問題,是極具前景的鋁合金焊接工藝之一,目前工藝還不成