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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
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、船舶及化學工業(yè)中已被大量應用。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金焊接技術的發(fā)展，同時焊接技術的發(fā)展又拓展了鋁合金的應用領域。
不過，鋁合金本身的特性使得其相關的焊接技術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世紀中后期激光技術逐漸開始應用于工業(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全鋁結構轎車也獲益于鋁合金激光焊接技術的開發(fā)和應用。這些成功的事例大大促使對激光焊接鋁合金的研究，激光技術已經(jīng)成為了未來鋁合金焊接技術的主要發(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熱性
這一特點可以用鋁合金的微觀結構來解釋。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熱性。
針對鋁合金對激光的高反射性，國內外已作了大量研究，試驗結果表明，進行適當?shù)谋砻骖A處理如噴砂處理、砂紙打磨、表面化學浸蝕、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，從焊接結構設計方面考慮，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性能，所以小孔的誘導和穩(wěn)定成為保證激光焊接質量的一個重點。
由于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。由于能量密度閾值的高低本質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出小孔,而使用He氣則不能誘導出小孔。這是因為N2和Al之間可發(fā)生放熱反應，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)了采用填絲或預置合金粉未、復合熱源和雙焦點技鋁合金的激光焊接工藝難點分析術來減少氣孔產(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，焊縫金屬結晶時在柱狀晶邊界形成AL-Si或Mg-Si等低熔點共晶是導致裂紋產(chǎn)生的原因。為減少熱裂紋，可以采用填絲或預置合金粉未等方法進行激光焊接。通過調整激光波形，控制熱輸入也可以減少結晶裂紋。
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、提高焊接質量是人們追求的目標。因此，激光-電弧復合工藝、填絲激光焊接、預置粉未激光焊接、雙焦點技術以及光束整形等新技術將會得到進一步完善和發(fā)展。
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