鋁合金激光焊接工藝研究

武斌斌

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1 鋁合金及其焊接的概述

激光焊接作為一種新型的焊接技術，焊接熱源直接是激光，既可以避免能源的浪費，又可以大大地提高焊接的效率，同時，激光焊接把機器人或者是數控機床作為運動系統，減少人員的參與，可以減少勞動力的浪費，提高焊接的效率。激光熱源除了具有可再生性和清潔無污染的優點之外，還可以高度的聚焦和良好性能的傳輸，因此可以將能量全部匯聚集中于一點，避免熱量的散失和浪費，所以，激光焊接能夠提高焊接的效率和速度以及焊接的質量。因為激光焊接的光束是通過脈沖或者連續的激光束來實現的，因此當激光束直接照射鋁合金的表面時，能夠把金屬表面的熱量迅速擴散到鋁合金的內部，使鋁合金快速的熔化形成一條焊縫，同時在融化后的金屬上形成一種反作用力，最終將熔化的鋁合金表面向下凹陷形成小孔。這個小孔具有強大的功效，可以全部吸收激光光束照射時產生的能量，并同時產生高溫蒸汽，蒸汽壓力與壁層表面的張力形成一種動態的平衡。

2 鋁合金激光焊接中存在的主要問題

2.1 焊縫的機械性能

細晶強化、固溶強化、時效沉淀強化是鋁合金的幾種強化機制，即使存在這些強化機制，激光焊接過程中Mg、Zn等低熔點合金元素的大量蒸發，也會導致焊縫下沉，硬度和強度下降。瞬時凝固過程中，細晶強化組織轉變成鑄態組織后，其硬度、強度會有所下降。此外，焊縫中裂紋、氣孔的存在導致抗拉強度降低。總之，接頭軟化問題是鋁合金激光焊接中存在的又一難題。

2.2 氣孔

鋁合金的激光焊接過程中容易產生氣孔，主要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅產生的氣孔。(1)氫氣孔。鋁合金在高溫下表面極易形成氧化膜，氧化膜容易吸附環境中的水分。激光加熱時，水分分解產生氫，而氫在液態鋁中的溶解度約為其在固態鋁中溶解度的20倍。在合金瞬時凝固過程中，由液態鋁向固態轉變時，氫的溶解度急劇降低，液態鋁中多余的氫如果不能順利上浮溢出就會形成氫氣孔。這類氣孔一般形狀規則，尺寸大于樹枝晶尺寸，在其內表面可見有樹枝晶結晶凝固花樣。(2)匙孔塌陷。焊接小孔內在自身重力和大氣壓力處于平衡態，一旦平衡被打破，熔池中液態金屬不能及時流過來填充就會形成不規則孔洞，有研究發現孔洞內壁鎂的含量約為焊縫附近的4倍。由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產生的孔洞。

2.3 熱裂紋

鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易出現熱裂紋，包括焊縫結晶裂紋和HAZ液化裂紋。通常結晶裂紋出現在焊縫區，液化裂紋出現在近縫區。鋁合金中尤其6000系列Al-Mg-Si合金裂紋敏感性大，母材經歷了快速加熱和冷卻，在瞬時凝固和結晶過程中，由于存在較大的過冷度，晶粒沿垂直焊縫中心方向生長，在柱狀晶邊界形成Al-Si或Mg-Si、Al-Mg2Si等低熔點共晶化合物，削弱晶面結合力，在熱應力作用下易產生結晶裂紋。在鋁合金焊接過程中，諸如一些低沸點元素(Mg、Zn、Mn、Si等)容易蒸發、燒損，焊速越慢，燒損越嚴重，從而改變焊縫金屬的化學成分。由于焊縫區成分偏析會發生共晶偏析而出現晶界熔化，在應力作用下會在晶界處形成液化裂紋，降低焊接接頭的性能。

3 鋁合金激光焊接工藝

3.1 解決氣孔問題的有效措施

有研究者表明，材料表面狀態、保護氣體種類、流量及保護方法、焊接參數和焊縫形狀都影響氣孔的產生。所以，選擇合適的表面處理措施，采用高功率、高速度的焊接方式，可以最大限度減少氣孔的產生。還有其他的一些研究者認為，調整激光功率波形、減少小孔不穩定倒塌，或在真空中進行焊接等等。但日本科學家在進行試驗后認為，適度的氣孔能夠保持鋁合金的內外平衡。各界的研究和看法都有一定的差異，但氣孔問題的解決是有一定效果的。

3.2 鋁合金材料焊接填充以應對熱裂紋

普遍研究者認為，在激光焊接中填充材料能有效應對焊接中產生的熱裂紋問題。對于那些容易形成凝固裂紋的鋁合金來說，在焊接時添加B、V、Ta等合金元素，能使鋁合金在焊接時生成難熔的金屬化合物，細化晶粒，有效組織熱裂紋的產生。在實際上使用中，人們也發現熱裂紋確實明顯減少。但不可忽略的是，這種方法容易導致資源的浪費和勞動力的大量消耗。當然也有其他一些科學家發現，調節脈沖波形進行點焊是，控制熱輸入同樣可以減少結晶裂，或嘗試在調整焊接金屬成分，對材料進行研究。總而言之，如何解決熱裂紋問題在目前的研究來看，進行材料填充是較可行的，可如何更有效的推廣普及工藝技術也是問題解決的關鍵。

3.3 激光復合焊接工藝

激光焊接時減緩鋁合金液體的凝固速度，有利于氣體的析出，且附加電弧熱量的輸入，還可以降低由于單一激光焊接極快自冷所引起的焊縫硬度增加。激光復合焊接具有快捷、高效、靈活等優點。激光復合焊接既可以彌補單一激光焊接的不足，降低金屬對激光的反射率，又可以緩解熱影響區軟化。從另一方面來看，鋁合金激光復合焊接帶來的不僅使技術上的改進，從客觀上也促使焊接設備的更新，使激光焊接工藝的發展結構更加優化。

結語

盡管鋁合金激光焊接過程中也會產生氣孔和裂紋等缺陷，但是通過計算機模擬仿真，激光束旋轉攪拌熔池，雙激光束復合焊接，激光填絲增加合金元素等先進工藝手段，可以減小甚至消除氣孔和裂紋等缺陷。因此，激光焊接鋁合金在工業上具有較好的應用前景。

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