铝合金的先进焊接工艺:激光焊接
<p> 铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding)是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。</p><p> 激光焊接铝合金有以下优点:①能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大;②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X射线;⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。</p>
<p> 现在应用的激光器主要是CO2和YAG激光器,CO2激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。</p>
<p> 在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图3为激光焊接时的小孔形状。图4为激光深熔焊示意图。<P align=center><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_zuh3uj20071217091030603.jpg"border=0></p>
<p> 铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2激光束(波长为10. 6μm)表面初始吸收率1. 7 %;对YAG激光束(波长为1. 06μm)吸收率接近5 %。图5为不同金属对激光的吸收率。比较复杂,高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动,起弧后稳定性不强,同时在电弧的高温状态下,电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度。</p>
<p> 铝合金激光-电弧复合焊工艺中可控参数较多,主要有以下几方面。①激光功率和电弧电流电压等:复合焊接对激光功率要求降低,同时功率因素对工艺影响很大,激光功率越大,熔深越大,而且这种影响力远大于激光单独焊接时对熔深的影响,增加电弧电源功率,熔化区宽度增加,热影响区增大,若采用脉冲YAG激光器,可调节脉冲频率和宽度以能提高工艺稳定性,减少气孔的形成;②焊接速度参数:随焊接速度的增加,焊接热输入降低,焊缝熔深降低,而且不同的焊接速度影响匙孔的作用有所不同,从而影响焊接的稳定性;③激光与电弧中心的距离:在一定范围内,激光与电弧中心距DLA11越小则熔深越大,此时增加电弧电流不仅增加熔宽,而且增加熔深;④激光与电弧配合方式:国际上对复合焊的研究一般采用激光垂直入射,电弧与激光束成一定角度,沿焊接方向激光或在电弧前或在电弧后,不同的设计安排影响复合焊接的工艺稳定性和焊接气孔、裂纹的形成;⑤填充材料的影响:通过填充焊丝、粉末来补充合金元素的烧损,增加焊缝强度,改善工艺性能,防止热裂纹;⑥保护气体成分及流速:复合焊中保护气体一般为Ar、He或Ar/ He混合气体,Ar的电离能低,易于形成等离子体,与激光束光子形成耦合作用,不利于保护,所以纯He气比纯Ar气保护效果好,但从经济角度来看Ar气更经济一些,国外有用Ar75%+He25%混合气保护进行激光焊接,效果良好,且可改善工艺性能。其它还有一些因素影响,如焊前铝合金表面的清洁,氧化膜的去除,焊后热处理等。当焊接高强度厚板铝合金时,可采用多道焊工艺达到完全熔透焊接,但厚板铝合金焊接易产生气孔、热裂纹及焊缝软化等问题,且其过程比较复杂。厚板铝合金焊接变形严重,所以必须采用一些防变形的工艺。</p>
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