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鋁合金的激光焊接工藝難點分析
鋁合金焊接技術(shù)
鋁合金具有高比強度、高疲勞強度以及良好的斷裂韌性和較低的裂紋擴展率，同時還具有優(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)用促進了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。
不過，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：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，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飛機機身，就采用激光焊接技術(shù)取代原有的鉚接工藝，使機身的重量減輕18%左右，制造成本降低了近25%。德國奧迪公司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，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題和對策
1.鋁合金表面的高反射性和高導(dǎo)熱性
這一特點可以用鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)來解釋。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，因而鋁合金表面對激光具有較高的反射率和很小的吸收率。同時，自由電子的布朗運動受激而變得更為劇烈，所以鋁合金也具有很高的導(dǎo)熱性。
針對鋁合金對激光的高反射性，國內(nèi)外已作了大量研究，試驗結(jié)果表明，進行適當(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表面對激光能量的吸收。
2.小孔效應(yīng)及等離子體對鋁合金激光焊接的影響
在鋁合金激光焊接過程中，小孔的出現(xiàn)可以大大提高材料對激光的吸收率，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（等離子體對能量的屏蔽和吸收，減少了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，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)量的一個重點。
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。例如，激光焊接鋁合金時使用N2氣時可較容易地誘導(dǎo)出小孔,而使用He氣則不能誘導(dǎo)出小孔。這是因為N2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激光吸收率。
3.氣孔問題
鋁合金種類不同，產(chǎn)生的氣孔類型也不同。一般認為，鋁合金在焊接過程中產(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，就會聚集成氣泡殘留在固態(tài)鋁合金成為氣孔。
2)保護氣體產(chǎn)生的氣孔。在高能激光焊接鋁合金的過程中，由于熔池底部小孔前沿金屬的強烈蒸發(fā)，使保護氣體被卷入熔池形成氣泡，當(dāng)氣泡來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。在激光焊接過程中，當(dāng)表面張力大于蒸氣壓力時，小孔將不能維持穩(wěn)定而塌陷，金屬來不及填充就形成了孔洞。對減少或避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺陷也有很多實際措施，如調(diào)整激光功率波形，減少小孔不穩(wěn)定塌陷，改變光束焦點高度和傾斜照射，在焊接過程時施加電磁經(jīng)場作用以及在真空中進行焊接等。近幾年來，又出現(xiàn)了采用填絲或預(yù)置合金粉未、復(fù)合熱源和雙焦點技鋁合金的激光焊接工藝難點分析術(shù)來減少氣孔產(chǎn)生的工藝，有不錯的效果。
4.裂紋問題
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)晶時在柱狀晶邊界形成AL-Si或Mg-Si等低熔點共晶是導(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行激光焊接。通過調(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)注的特點是其高效率，而要充分發(fā)揮這種高效率就是把它運用到大厚度深熔焊接中。因此，研究和使用大功率激光器進行大厚度深熔焊接將是未來發(fā)展的必然趨勢。大厚度深熔焊更加突出了小孔現(xiàn)象及對焊縫氣孔的影響，因此小孔形成機理及控制變得更加，它必將成為業(yè)界共同關(guān)心和研究的熱點問題。
改善激光焊接過程的穩(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、雙焦點技術(shù)以及光束整形等新技術(shù)將會得到進一步完善和發(fā)展。
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