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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：3577 次
傳統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，生產效率低。由于焊接變形大，隨后的矯正工作往往浪費大量的時間，增加了制造成本，影響了生產效率和制造質量。而激光焊接機具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區小和焊接變形小等特點，使其在鋁合金焊接領域受到格外的重視。
鋁合金激光焊接的主要難點在于：
（1）鋁合金對激光束的高初始反射率及其本身的高導熱性，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展，使得焊接穩定性差。
（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，國內外已作了大量研究，試驗結果表明，進行適當的表面預處理如噴砂處理、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.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，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量，來獲得穩定的焊接過程。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.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生的主要原因。
為減少熱裂紋，可以采用填絲或預置合金粉末等方法進行激光焊接。使用YAG激光器時，調節脈沖波形，控制熱輸入也可以減少結晶裂紋。
4.小孔塌陷產生的氣孔。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場作用以及在真空中進行焊接等。近幾年來，又出現了采用填絲或預置合金粉未、復合熱源和雙焦點技術來減少氣孔產生的工藝，有不錯的效果。
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展的必然趨勢。
鋁合金激光焊接的主要難點在于：
（1）鋁合金對激光束的高初始反射率及其本身的高導熱性，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展，使得焊接穩定性差。
（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，國內外已作了大量研究，試驗結果表明，進行適當的表面預處理如噴砂處理、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.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，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量，來獲得穩定的焊接過程。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.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生的主要原因。
為減少熱裂紋，可以采用填絲或預置合金粉末等方法進行激光焊接。使用YAG激光器時，調節脈沖波形，控制熱輸入也可以減少結晶裂紋。
4.小孔塌陷產生的氣孔。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場作用以及在真空中進行焊接等。近幾年來，又出現了采用填絲或預置合金粉未、復合熱源和雙焦點技術來減少氣孔產生的工藝，有不錯的效果。
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展的必然趨勢。
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