铝合金激光焊接工艺研究

武斌斌

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1 铝合金及其焊接的概述

激光焊接作为一种新型的焊接技术，焊接热源直接是激光，既可以避免能源的浪费，又可以大大地提高焊接的效率，同时，激光焊接把机器人或者是数控机床作为运动系统，减少人员的参与，可以减少劳动力的浪费，提高焊接的效率。激光热源除了具有可再生性和清洁无污染的优点之外，还可以高度的聚焦和良好性能的传输，因此可以将能量全部汇聚集中于一点，避免热量的散失和浪费，所以，激光焊接能够提高焊接的效率和速度以及焊接的质量。因为激光焊接的光束是通过脉冲或者连续的激光束来实现的，因此当激光束直接照射铝合金的表面时，能够把金属表面的热量迅速扩散到铝合金的内部，使铝合金快速的熔化形成一条焊缝，同时在融化后的金属上形成一种反作用力，最终将熔化的铝合金表面向下凹陷形成小孔。这个小孔具有强大的功效，可以全部吸收激光光束照射时产生的能量，并同时产生高温蒸汽，蒸汽压力与壁层表面的张力形成一种动态的平衡。

2 铝合金激光焊接中存在的主要问题

2.1 焊缝的机械性能

细晶强化、固溶强化、时效沉淀强化是铝合金的几种强化机制，即使存在这些强化机制，激光焊接过程中Mg、Zn等低熔点合金元素的大量蒸发，也会导致焊缝下沉，硬度和强度下降。瞬时凝固过程中，细晶强化组织转变成铸态组织后，其硬度、强度会有所下降。此外，焊缝中裂纹、气孔的存在导致抗拉强度降低。总之，接头软化问题是铝合金激光焊接中存在的又一难题。

2.2 气孔

铝合金的激光焊接过程中容易产生气孔，主要有两类：氢气孔和匙孔破灭产生的气孔。(1)氢气孔。铝合金在高温下表面极易形成氧化膜，氧化膜容易吸附环境中的水分。激光加热时，水分分解产生氢，而氢在液态铝中的溶解度约为其在固态铝中溶解度的20倍。在合金瞬时凝固过程中，由液态铝向固态转变时，氢的溶解度急剧降低，液态铝中多余的氢如果不能顺利上浮溢出就会形成氢气孔。这类气孔一般形状规则，尺寸大于树枝晶尺寸，在其内表面可见有树枝晶结晶凝固花样。(2)匙孔塌陷。焊接小孔内在自身重力和大气压力处于平衡态，一旦平衡被打破，熔池中液态金属不能及时流过来填充就会形成不规则孔洞，有研究发现孔洞内壁镁的含量约为焊缝附近的4倍。由于激光焊接的冷却速度太快，氢气孔问题更加严重，并且在激光焊接中还多了一类由于小孔的塌陷而产生的孔洞。

2.3 热裂纹

铝合金属于典型的共晶型合金，焊接时容易出现热裂纹，包括焊缝结晶裂纹和HAZ液化裂纹。通常结晶裂纹出现在焊缝区，液化裂纹出现在近缝区。铝合金中尤其6000系列Al-Mg-Si合金裂纹敏感性大，母材经历了快速加热和冷却，在瞬时凝固和结晶过程中，由于存在较大的过冷度，晶粒沿垂直焊缝中心方向生长，在柱状晶边界形成Al-Si或Mg-Si、Al-Mg2Si等低熔点共晶化合物，削弱晶面结合力，在热应力作用下易产生结晶裂纹。在铝合金焊接过程中，诸如一些低沸点元素(Mg、Zn、Mn、Si等)容易蒸发、烧损，焊速越慢，烧损越严重，从而改变焊缝金属的化学成分。由于焊缝区成分偏析会发生共晶偏析而出现晶界熔化，在应力作用下会在晶界处形成液化裂纹，降低焊接接头的性能。

3 铝合金激光焊接工艺

3.1 解决气孔问题的有效措施

有研究者表明，材料表面状态、保护气体种类、流量及保护方法、焊接参数和焊缝形状都影响气孔的产生。所以，选择合适的表面处理措施，采用高功率、高速度的焊接方式，可以最大限度减少气孔的产生。还有其他的一些研究者认为，调整激光功率波形、减少小孔不稳定倒塌，或在真空中进行焊接等等。但日本科学家在进行试验后认为，适度的气孔能够保持铝合金的内外平衡。各界的研究和看法都有一定的差异，但气孔问题的解决是有一定效果的。

3.2 铝合金材料焊接填充以应对热裂纹

普遍研究者认为，在激光焊接中填充材料能有效应对焊接中产生的热裂纹问题。对于那些容易形成凝固裂纹的铝合金来说，在焊接时添加B、V、Ta等合金元素，能使铝合金在焊接时生成难熔的金属化合物，细化晶粒，有效组织热裂纹的产生。在实际上使用中，人们也发现热裂纹确实明显减少。但不可忽略的是，这种方法容易导致资源的浪费和劳动力的大量消耗。当然也有其他一些科学家发现，调节脉冲波形进行点焊是，控制热输入同样可以减少结晶裂，或尝试在调整焊接金属成分，对材料进行研究。总而言之，如何解决热裂纹问题在目前的研究来看，进行材料填充是较可行的，可如何更有效的推广普及工艺技术也是问题解决的关键。

3.3 激光复合焊接工艺

激光焊接时减缓铝合金液体的凝固速度，有利于气体的析出，且附加电弧热量的输入，还可以降低由于单一激光焊接极快自冷所引起的焊缝硬度增加。激光复合焊接具有快捷、高效、灵活等优点。激光复合焊接既可以弥补单一激光焊接的不足，降低金属对激光的反射率，又可以缓解热影响区软化。从另一方面来看，铝合金激光复合焊接带来的不仅使技术上的改进，从客观上也促使焊接设备的更新，使激光焊接工艺的发展结构更加优化。

结语

尽管铝合金激光焊接过程中也会产生气孔和裂纹等缺陷，但是通过计算机模拟仿真，激光束旋转搅拌熔池，双激光束复合焊接，激光填丝增加合金元素等先进工艺手段，可以减小甚至消除气孔和裂纹等缺陷。因此，激光焊接铝合金在工业上具有较好的应用前景。

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