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(shù)，焊接熱源直接是激光，既可以避免能源的浪費(fèi)，又可以大大地提高焊接的效率，同時(shí)，激光焊接把機(jī)器人或者是數(shù)控機(jī)床作為運(yùn)動系統(tǒng)，減少人員的參與，可以減少勞動力的浪費(fèi)，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(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，避免熱量的散失和浪費(fèi)，所以，激光焊接能夠提高焊接的效率和速度以及焊接的質(zhì)量。因?yàn)榧す夂附拥墓馐峭ㄟ^脈沖或者連續(xù)的激光束來實(shí)現(xiàn)的，因此當(dāng)激光束直接照射鋁合金的表面時(shí)，能夠把金屬表面的熱量迅速擴(kuò)散到鋁合金的內(nèi)部，使鋁合金快速的熔化形成一條焊縫，同時(shí)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(gè)小孔具有強(qiáng)大的功效，可以全部吸收激光光束照射時(shí)產(chǎn)生的能量，并同時(shí)產(chǎn)生高溫蒸汽，蒸汽壓力與壁層表面的張力形成一種動態(tài)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(jī)械性能

細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時(shí)效沉淀強(qiáng)化是鋁合金的幾種強(qiáng)化機(jī)制，即使存在這些強(qiáng)化機(jī)制，激光焊接過程中Mg、Zn等低熔點(diǎn)合金元素的大量蒸發(fā)，也會導(dǎo)致焊縫下沉，硬度和強(qiáng)度下降。瞬時(shí)凝固過程中，細(xì)晶強(qiáng)化組織轉(zhuǎn)變成鑄態(tài)組織后，其硬度、強(qiáng)度會有所下降。此外，焊縫中裂紋、氣孔的存在導(dǎo)致抗拉強(qiáng)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(chǎn)生氣孔，主要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅產(chǎn)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(huán)境中的水分。激光加熱時(shí)，水分分解產(chǎn)生氫，而氫在液態(tài)鋁中的溶解度約為其在固態(tài)鋁中溶解度的20倍。在合金瞬時(shí)凝固過程中，由液態(tài)鋁向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，氫的溶解度急劇降低，液態(tài)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(guī)則，尺寸大于樹枝晶尺寸，在其內(nèi)表面可見有樹枝晶結(jié)晶凝固花樣。(2)匙孔塌陷。焊接小孔內(nèi)在自身重力和大氣壓力處于平衡態(tài)，一旦平衡被打破，熔池中液態(tài)金屬不能及時(shí)流過來填充就會形成不規(guī)則孔洞，有研究發(fā)現(xiàn)孔洞內(nèi)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(yán)重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產(chǎn)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(shí)容易出現(xiàn)熱裂紋，包括焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋。通常結(jié)晶裂紋出現(xiàn)在焊縫區(qū)，液化裂紋出現(xiàn)在近縫區(qū)。鋁合金中尤其6000系列Al-Mg-Si合金裂紋敏感性大，母材經(jīng)歷了快速加熱和冷卻，在瞬時(shí)凝固和結(jié)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(diǎn)共晶化合物，削弱晶面結(jié)合力，在熱應(yīng)力作用下易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。在鋁合金焊接過程中，諸如一些低沸點(diǎn)元素(Mg、Zn、Mn、Si等)容易蒸發(fā)、燒損，焊速越慢，燒損越嚴(yán)重，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分。由于焊縫區(qū)成分偏析會發(fā)生共晶偏析而出現(xiàn)晶界熔化，在應(yīng)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(tài)、保護(hù)氣體種類、流量及保護(hù)方法、焊接參數(shù)和焊縫形狀都影響氣孔的產(chǎn)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(chǎn)生。還有其他的一些研究者認(rèn)為，調(diào)整激光功率波形、減少小孔不穩(wěn)定倒塌，或在真空中進(jìn)行焊接等等。但日本科學(xué)家在進(jìn)行試驗(yàn)后認(rèn)為，適度的氣孔能夠保持鋁合金的內(nèi)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(yīng)對熱裂紋

普遍研究者認(rèn)為，在激光焊接中填充材料能有效應(yīng)對焊接中產(chǎn)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(shí)添加B、V、Ta等合金元素，能使鋁合金在焊接時(shí)生成難熔的金屬化合物，細(xì)化晶粒，有效組織熱裂紋的產(chǎn)生。在實(shí)際上使用中，人們也發(fā)現(xiàn)熱裂紋確實(shí)明顯減少。但不可忽略的是，這種方法容易導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和勞動力的大量消耗。當(dāng)然也有其他一些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)脈沖波形進(jìn)行點(diǎn)焊是，控制熱輸入同樣可以減少結(jié)晶裂，或嘗試在調(diào)整焊接金屬成分，對材料進(jìn)行研究?？偠灾绾谓鉀Q熱裂紋問題在目前的研究來看，進(jìn)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(shù)也是問題解決的關(guān)鍵。

3.3 激光復(fù)合焊接工藝

激光焊接時(shí)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(fù)合焊接具有快捷、高效、靈活等優(yōu)點(diǎn)。激光復(fù)合焊接既可以彌補(bǔ)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(qū)軟化。從另一方面來看，鋁合金激光復(fù)合焊接帶來的不僅使技術(shù)上的改進(jìn)，從客觀上也促使焊接設(shè)備的更新，使激光焊接工藝的發(fā)展結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。

結(jié)語

盡管鋁合金激光焊接過程中也會產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷，但是通過計(jì)算機(jī)模擬仿真，激光束旋轉(zhuǎn)攪拌熔池，雙激光束復(fù)合焊接，激光填絲增加合金元素等先進(jìn)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(yè)上具有較好的應(yīng)用前景。

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