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解決激光焊接在鋁合金焊接中的問(wèn)題
時(shí)間：2021-09-08 16:49 閱讀：3544 次
傳統(tǒng)的鋁合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊工藝，但所面臨的主要問(wèn)題是焊接過(guò)程中較大的熱輸入使鋁合金板變形較大，焊接速度慢，生產(chǎn)效率低。由于焊接變形大，隨后的矯正工作往往浪費(fèi)大量的時(shí)間，增加了制造成本，影響了生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量。而激光焊接機(jī)具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區(qū)小和焊接變形小等特點(diǎn)，使其在鋁合金焊接領(lǐng)域受到格外的重視。
鋁合金激光焊接的主要難點(diǎn)在于：
（1）鋁合金對(duì)激光束的高初始反射率及其本身的高導(dǎo)熱性，使鋁合金在未熔化前對(duì)激光的吸收率很低，“小孔”的誘導(dǎo)比較困難。
（2）鋁的電離能低，焊接過(guò)程中光致等離子體易于過(guò)熱和擴(kuò)展，使得焊接穩(wěn)定性差。
（3）鋁合金激光焊接過(guò)程中氣孔問(wèn)題。
（4）焊接過(guò)程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能下降。
解決激光焊接在鋁合金焊接中的問(wèn)題：
1.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.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.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條件下更容易產(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)生的主要原因。
為減少熱裂紋，可以采用填絲或預(yù)置合金粉末等方法進(jìn)行激光焊接。使用YAG激光器時(shí)，調(diào)節(jié)脈沖波形，控制熱輸入也可以減少結(jié)晶裂紋。
4.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)技術(shù)來(lái)減少氣孔產(chǎn)生的工藝，有不錯(cuò)的效果。
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)。
鋁合金激光焊接的主要難點(diǎn)在于：
（1）鋁合金對(duì)激光束的高初始反射率及其本身的高導(dǎo)熱性，使鋁合金在未熔化前對(duì)激光的吸收率很低，“小孔”的誘導(dǎo)比較困難。
（2）鋁的電離能低，焊接過(guò)程中光致等離子體易于過(guò)熱和擴(kuò)展，使得焊接穩(wěn)定性差。
（3）鋁合金激光焊接過(guò)程中氣孔問(wèn)題。
（4）焊接過(guò)程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能下降。
解決激光焊接在鋁合金焊接中的問(wèn)題：
1.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.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.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條件下更容易產(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)生的主要原因。
為減少熱裂紋，可以采用填絲或預(yù)置合金粉末等方法進(jìn)行激光焊接。使用YAG激光器時(shí)，調(diào)節(jié)脈沖波形，控制熱輸入也可以減少結(jié)晶裂紋。
4.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)技術(shù)來(lái)減少氣孔產(chǎn)生的工藝，有不錯(cuò)的效果。
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)。
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