鋁合金激光焊接的優(yōu)化措施

文／沈義·武漢法利萊切焊系統(tǒng)工程有限公司

鋁合金激光焊接的優(yōu)化措施

文／沈義·武漢法利萊切焊系統(tǒng)工程有限公司

本文簡(jiǎn)要說明鋁合金的應(yīng)用特性及焊接特性，從焊接準(zhǔn)備、加焊縫保護(hù)氣、采用雙光斑激光焊、激光填絲焊或激光-MIG復(fù)合焊、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)等方面說明鋁合金激光焊的質(zhì)量保障方法，工業(yè)生產(chǎn)中還可以借助現(xiàn)有的高端激光頭來穩(wěn)定焊接質(zhì)量。

鋁合金應(yīng)用特性

鋁合金因材質(zhì)輕、耐腐蝕、低溫性能和機(jī)械綜合性能好而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶及化工等眾多領(lǐng)域。隨著近年國(guó)家對(duì)節(jié)能經(jīng)濟(jì)的追求，鋁合金的需要又上了一個(gè)臺(tái)階。目前，汽車行業(yè)中適用的鋁合金主要有Al-Mg(5000系列)、Al-Mg-Si(6000系 列)及Al-Mg-Zn(7000系 列)三大系列，汽車外殼多用耐蝕可焊的5000系合金，而梁柱等強(qiáng)度要求較高的部位則用6000系或7000系合金。研究表明，采用鋁合金材料適當(dāng)減輕汽車的重量可以把油耗降低37%，懸掛裝置的負(fù)荷降低18%，振動(dòng)強(qiáng)度降低5%。在各大汽車廠加大對(duì)鋁合金零件研發(fā)與制造投入的同時(shí)，鋁合金焊接又成為一個(gè)需要重點(diǎn)解決的基礎(chǔ)問題。

鋁合金焊接特性

目前，主要采用TIG焊、MIG焊等常規(guī)方法來焊接鋁合金。采用常規(guī)方法焊接，熱輸入量大導(dǎo)致焊縫寬大且熔深較淺，鋁合金導(dǎo)熱快，冶金時(shí)高溫溶解大量的氫來不及溢出產(chǎn)生氫氣孔；由于冶金速度快焊縫金屬晶粒粗大，焊接接頭軟化可使強(qiáng)度減少40%；鋁合金熔點(diǎn)低而導(dǎo)熱快，熔融金屬流動(dòng)性差而使焊縫成形不美觀；受熱面積大，加工材料容易變形而影響加工尺寸精度。鋁合金常規(guī)焊接質(zhì)量難以保障，且焊接速度難以滿足批量生產(chǎn)要求。

隨著激光加工應(yīng)用普及化水平的提升，采用激光焊接鋁合金，熱輸入量小且熱源集中，特別是光纖激光器問世后，激光焊接鋁合金的能量密度更加集中，激光波長(zhǎng)更短，高反射得到改善。通過激光填絲、激光-MIG復(fù)合焊、雙光斑激光焊等工藝，可明顯改善鋁合金焊接的成形效果，也使焊接質(zhì)量得到改善。

無論是何種焊接方法，鋁合金焊接前準(zhǔn)備工作是必不可少的。焊接前對(duì)鋁合金件表面進(jìn)行無水酒精或丙酮擦試，以清除表面所吸附的水或油等雜質(zhì)。為防止工件在空氣中被氧化，需要對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械打磨或化學(xué)處理并烘干，以盡快完成焊接。為了加快鋁合金焊接時(shí)的熔池流動(dòng)性，可以在鋁合金工件焊接背面加墊銅板以改善焊縫成形效果。焊接時(shí)要隔絕空氣，采用氬氣保護(hù)，以減少氣孔的產(chǎn)生。

激光焊接優(yōu)化措施

鋁合金激光焊接開始時(shí)，存在高反射現(xiàn)象，嚴(yán)重影響材料對(duì)激光能量的吸收，而波長(zhǎng)越短，材料對(duì)光的吸收就越好，因此，光纖激光比CO2激光更容易被鋁合金所吸收。光纖激光的光束模式使能量密度更加集中，要優(yōu)于CO2激光。一旦材料開始吸收光能，液態(tài)金屬對(duì)光的反射率就明顯下降。

采用雙光斑激光焊，能夠明顯改善氣孔率，主要是因?yàn)椴捎秒p光束進(jìn)行焊接時(shí)，兩束光形成一個(gè)相對(duì)較大的匙孔，提高了匙孔的穩(wěn)定性，有利于氣體的逸出。圖1所示為雙光束激光焊的兩種焊接模型，相比于串行雙光束，采用并行雙光束焊接時(shí)，熔池內(nèi)部溫度梯度更小，降低了液態(tài)金屬凝固速度，延長(zhǎng)氣泡的逸出時(shí)間，有利于減小氣孔傾向。并行雙光束激光焊也能提高送絲的穩(wěn)定性，對(duì)穩(wěn)定焊接質(zhì)量有利。

采用激光填絲焊，相比鋁合金激光自熔焊，能夠得到更好的成形。激光填絲焊能夠兼容激光焊的高能量密度和填絲焊的高橋接能力，對(duì)于有一定間隙的焊縫，能夠保證良好的成形效果。通過選擇不同的填充材料，可以對(duì)母材進(jìn)行不同的化學(xué)冶金，起到補(bǔ)充合金元素及相變強(qiáng)化的功效。

圖2所示為單激光焊與激光-MIG復(fù)合焊的焊接模型，采用激光復(fù)合焊，通過激光與電弧的復(fù)合，能夠有效消除激光焊接等離子體對(duì)激光束傳輸?shù)挠绊?。通過光絲間距、吹氣、焊槍角度等參數(shù)的調(diào)節(jié)，能夠獲得美觀的焊縫，而且對(duì)于厚板無需開坡口或只需開小坡口就可以形成良好的焊縫。

采用功能強(qiáng)大的激光頭，能夠穩(wěn)定焊接質(zhì)量。目前由Scansonic和HighYAG所研制的激光頭，可在一定范圍內(nèi)上下浮動(dòng)、左右擺動(dòng)而不改變光斑大小，也不影響光絲配合，能夠減小材料因加工而產(chǎn)生的少量尺寸偏差，從而改善由此引起的焊接缺陷，非常利于大批量的生產(chǎn)應(yīng)用。

采用合適的焊接工藝參數(shù)，能夠保證焊接質(zhì)量。圖3所示為6061鋁合金激光填絲焊接的激光功率和焊接速度的優(yōu)化參數(shù)范圍關(guān)系圖。從該圖中可以看到，激光功率和焊接速度的優(yōu)化匹配參數(shù)曲線呈直線式上升，斜率基本保持不變。每一個(gè)給定的激光功率值，在優(yōu)化參數(shù)曲線上都有一個(gè)優(yōu)化的焊接速度與之對(duì)應(yīng)，且焊接速度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)仍能獲得成形質(zhì)量好的焊縫，此區(qū)域?qū)儆诤附臃€(wěn)定區(qū)。在某一功率值時(shí)，當(dāng)焊接速度過大，熱輸入變小，鋁合金板材不能焊透，此時(shí)焊接速度過大則向上超過穩(wěn)定區(qū)范圍，屬于未熔透區(qū)；當(dāng)焊接速度過小，熱輸入過大，熔池下塌嚴(yán)重，此時(shí)屬于熔池坍塌區(qū)。因此，獲得穩(wěn)定的焊縫需要匹配合適的焊接工藝參數(shù)。