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鋁合金的激光焊接工藝難點(diǎn)分析
鋁合金焊接技術(shù)
鋁合金具有高比強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度以及良好的斷裂韌性和較低的裂紋擴(kuò)展率，同時(shí)還具有優(yōu)良的成形工藝性和良好的抗腐蝕性，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已被大量應(yīng)用。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。
不過(guò)，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(wèn)題：表面難熔的氧化膜、接頭軟化、易產(chǎn)生氣孔、容易熱變形以及熱導(dǎo)率過(guò)大等。傳統(tǒng)的鋁合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊工藝，雖然這兩種焊接方式能量密度較大，焊接鋁合金時(shí)能獲得良好的接頭，但仍然存在熔透能力差、焊接變形大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)，于是人們開始尋求新的焊接方法，20世紀(jì)中后期激光技術(shù)逐漸開始應(yīng)用于工業(yè)。歐洲空中客車公司生產(chǎn)的A340飛機(jī)機(jī)身，就采用激光焊接技術(shù)取代原有的鉚接工藝，使機(jī)身的重量減輕18%左右，制造成本降低了近25%。德國(guó)奧迪公司A2和A8全鋁結(jié)構(gòu)轎車也獲益于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(duì)激光焊接鋁合金的研究，激光技術(shù)已經(jīng)成為了未來(lái)鋁合金焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向。激光焊接具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區(qū)小和焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，使其在鋁合金焊接領(lǐng)域受到格外的重視。
鋁合金激光焊接的問(wèn)題和對(duì)策
1.鋁合金表面的高反射性和高導(dǎo)熱性
這一特點(diǎn)可以用鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)解釋。由于鋁合金中存在密度很大的自由電子，自由電子受到激光（強(qiáng)烈的電磁波）強(qiáng)迫震動(dòng)而產(chǎn)生次級(jí)電磁波，造成強(qiáng)烈的反射波和較弱的透射波，因而鋁合金表面對(duì)激光具有較高的反射率和很小的吸收率。同時(shí)，自由電子的布朗運(yùn)動(dòng)受激而變得更為劇烈，所以鋁合金也具有很高的導(dǎo)熱性。
針對(duì)鋁合金對(duì)激光的高反射性，國(guó)內(nèi)外已作了大量研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理如噴砂處理、砂紙打磨、表面化學(xué)浸蝕、表面鍍、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(duì)光束能量的吸收。另外，從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，在鋁合金表面人工制孔或采用光收集器形式接頭，開V形坡口或采用拼焊(拼接間隙相當(dāng)于人工制孔)方法，都可以增加鋁合金對(duì)激光的吸收，獲得較大的熔深。另外，還可以利用合理設(shè)計(jì)焊接縫隙來(lái)增加鋁合金表面對(duì)激光能量的吸收。
2.小孔效應(yīng)及等離子體對(duì)鋁合金激光焊接的影響
在鋁合金激光焊接過(guò)程中，小孔的出現(xiàn)可以大大提高材料對(duì)激光的吸收率，焊接可以獲得更多的能量，而鋁元素以及鋁合金中的Mg、Zn、Li沸點(diǎn)低、易蒸發(fā)且蒸汽壓大，雖然這有助于小孔的形成，但等離子體的冷卻作用（等離子體對(duì)能量的屏蔽和吸收，減少了激光對(duì)母材的能量輸入）使得等離子體本身"過(guò)熱"，卻阻礙了小孔維持連續(xù)存在，容易產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷，從而影響焊接成形和接頭的力學(xué)性能，所以小孔的誘導(dǎo)和穩(wěn)定成為保證激光焊接質(zhì)量的一個(gè)重點(diǎn)。
由于鋁合金的高反射性和高導(dǎo)熱性，要誘導(dǎo)小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。由于能量密度閾值的高低本質(zhì)上受其合金成分的控制，因此可以通過(guò)控制工藝參數(shù)，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量，來(lái)獲得穩(wěn)定的焊接過(guò)程。另外，能量密度閾值一定程度上還受到保護(hù)氣體種類的影響。例如，激光焊接鋁合金時(shí)使用N2氣時(shí)可較容易地誘導(dǎo)出小孔,而使用He氣則不能誘導(dǎo)出小孔。這是因?yàn)镹2和Al之間可發(fā)生放熱反應(yīng)，生成的Al-N-O三元化合物提高了對(duì)激光吸收率。
3.氣孔問(wèn)題
鋁合金種類不同，產(chǎn)生的氣孔類型也不同。一般認(rèn)為，鋁合金在焊接過(guò)程中產(chǎn)生以下幾類氣孔。
1)氫氣孔。鋁合金在有氫的環(huán)境中熔化后，其內(nèi)部的含氫量可達(dá)到0.69ml/100g以上。但凝固以后，其平衡狀態(tài)下的溶氫能力最多只有0.036ml/100g，兩者相差近20倍。因此，在由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，液態(tài)鋁中多余的氫氣必定要析出。如果析出的氫不能順利上浮逸出，就會(huì)聚集成氣泡殘留在固態(tài)鋁合金成為氣孔。
2)保護(hù)氣體產(chǎn)生的氣孔。在高能激光焊接鋁合金的過(guò)程中，由于熔池底部小孔前沿金屬的強(qiáng)烈蒸發(fā)，使保護(hù)氣體被卷入熔池形成氣泡，當(dāng)氣泡來(lái)不及逸出而殘留在固態(tài)鋁合金中即成為氣孔。
3)小孔塌陷產(chǎn)生的氣孔。在激光焊接過(guò)程中，當(dāng)表面張力大于蒸氣壓力時(shí)，小孔將不能維持穩(wěn)定而塌陷，金屬來(lái)不及填充就形成了孔洞。對(duì)減少或避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺陷也有很多實(shí)際措施，如調(diào)整激光功率波形，減少小孔不穩(wěn)定塌陷，改變光束焦點(diǎn)高度和傾斜照射，在焊接過(guò)程時(shí)施加電磁經(jīng)場(chǎng)作用以及在真空中進(jìn)行焊接等。近幾年來(lái)，又出現(xiàn)了采用填絲或預(yù)置合金粉未、復(fù)合熱源和雙焦點(diǎn)技鋁合金的激光焊接工藝難點(diǎn)分析術(shù)來(lái)減少氣孔產(chǎn)生的工藝，有不錯(cuò)的效果。
4.裂紋問(wèn)題
鋁合金屬于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固下更容易產(chǎn)生熱裂紋，焊縫金屬結(jié)晶時(shí)在柱狀晶邊界形成AL-Si或Mg-Si等低熔點(diǎn)共晶是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。為減少熱裂紋，可以采用填絲或預(yù)置合金粉未等方法進(jìn)行激光焊接。通過(guò)調(diào)整激光波形，控制熱輸入也可以減少結(jié)晶裂紋。
鋁合金激光焊接的發(fā)展前景
鋁合金激光焊接最為人引人關(guān)注的特點(diǎn)是其高效率，而要充分發(fā)揮這種高效率就是把它運(yùn)用到大厚度深熔焊接中。因此，研究和使用大功率激光器進(jìn)行大厚度深熔焊接將是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。大厚度深熔焊更加突出了小孔現(xiàn)象及對(duì)焊縫氣孔的影響，因此小孔形成機(jī)理及控制變得更加，它必將成為業(yè)界共同關(guān)心和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。
改善激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊縫成形、提高焊接質(zhì)量是人們追求的目標(biāo)。因此，激光-電弧復(fù)合工藝、填絲激光焊接、預(yù)置粉未激光焊接、雙焦點(diǎn)技術(shù)以及光束整形等新技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步完善和發(fā)展。
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