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解決激光焊接在鋁合金焊接中的問題
時間：2021-09-08 16:49 閱讀：4373 次
傳統(tǒng)的鋁合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊工藝，但所面臨的主要問題是焊接過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，焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴(kuò)展，使得焊接穩(wěn)定性差。
（3）鋁合金激光焊接過程中氣孔問題。
（4）焊接過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題：
1.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(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.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(hù)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?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激光吸收率。
3.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條件下更容易產(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(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，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(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，在焊接過程時施加電磁經(jīng)場作用以及在真空中進(jìn)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(diǎn)技術(shù)來減少氣孔產(chǎn)生的工藝，有不錯的效果。
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發(fā)展的必然趨勢。
鋁合金激光焊接的主要難點(diǎn)在于：
（1）鋁合金對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，焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴(kuò)展，使得焊接穩(wěn)定性差。
（3）鋁合金激光焊接過程中氣孔問題。
（4）焊接過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題：
1.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(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.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(hù)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?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激光吸收率。
3.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條件下更容易產(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(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，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(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，在焊接過程時施加電磁經(jīng)場作用以及在真空中進(jìn)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(diǎn)技術(shù)來減少氣孔產(chǎn)生的工藝，有不錯的效果。
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發(fā)展的必然趨勢。
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