激光焊接技術(shù)在鋁合金鑄件中的應(yīng)用

陸永祥，呂 杰，蘭志鵬

（1.甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅嘉峪關(guān) 735100；2.武漢天之逸科技有限公司，湖北武漢 430070）

引言

由于現(xiàn)階段鑄造工藝有限，對鋁合金元件壁厚的控制效果較差，導(dǎo)致出現(xiàn)壁厚差、抗拉強(qiáng)度低等質(zhì)量問題，為解決上述問題，一般會采用焊接的方式縮小鋁合金元件之間的縫隙。參考文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]等焊接技術(shù)是最為基礎(chǔ)的焊接技術(shù)[1-2]，一般多被應(yīng)用在金屬元件或者建筑元件的焊接工作中，具有焊接范圍大、易加工、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、方便連接等優(yōu)勢，雖然上述焊接模式可以完成預(yù)設(shè)的鑄件目標(biāo)，但是效果并不明顯，對元器件焊接精度及差異值的把控較弱，在復(fù)雜的環(huán)境下對于鑄件的精細(xì)化處理存在一些問題，導(dǎo)致所鑄元件的抗拉強(qiáng)度并未得到明顯提升。激光焊接技術(shù)是目前階段較為常用的一種動(dòng)態(tài)化焊接方式，自身具有速度快、深度大、變形小等優(yōu)勢，對使用環(huán)境的要求并較低，且可以通過電磁場，在氣體環(huán)境中施焊，對異性材料的施焊效果較佳[3]。將激光焊接技術(shù)融入鋁合金鑄件工作中，可以一定程度上增加鑄件工作的靈活性與緊密性，最大程度地提升焊接差值的控制效果[4]。因此，本文對激光焊接技術(shù)在鋁合金鑄件中的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析與研究。

1 設(shè)計(jì)激光焊接技術(shù)的鑄件應(yīng)用方案

1.1 鑄件坡口調(diào)整

鋁合金鑄件的坡口設(shè)定對后續(xù)的焊接處理及鑄件調(diào)整效果而言十分重要[5]?？梢韵纫钥招妮S作為鑄件的支撐核心點(diǎn)，采用雙向抗拉的方式在坡口的兩側(cè)設(shè)定輔助標(biāo)記結(jié)構(gòu)，作為初期的焊接環(huán)境，并測算出具體的焊接間距，具體如公式1 所示：

1.2 激光焊接入射角度確定

在使用激光焊接技術(shù)時(shí)，還需要確定激光焊接入射角度[8]。首先，調(diào)節(jié)激光束沖擊角度，采用MIG 電弧焊連的方式將兩塊鋁合金板焊接，隨后，使用厚320 mm×100 mm×10 mm、長200 mm×180 mm×15 mm 的方式過渡板對兩塊鋁合金板進(jìn)行承壓處理，形成一個(gè)穩(wěn)定的構(gòu)筑結(jié)構(gòu)[9]。隨后，利用激光焊接技術(shù)在鋁合金板的核心位置打下若干個(gè)氣孔，按照EN 15085-3 焊接標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整此時(shí)的鑄件坡口覆蓋范圍，將整體的形狀逐漸調(diào)整為I 形坡口或者Y 形坡口，測出此時(shí)的激光束覆蓋區(qū)域，如公式2 所示：

式中：j 表示激光束覆蓋區(qū)域，μ 表示坡口實(shí)時(shí)移位差值，τ 表示填充空間，κ 表示焊縫背部側(cè)方長度。結(jié)合覆蓋的位置及變動(dòng)范圍，調(diào)整鋁合金板的母材形態(tài)[10]。促使墊板強(qiáng)制成形，成形之后的鑄件從兩側(cè)到核心位置均需要打下氣孔，根據(jù)激光的順延角度測定激光束的焊接拉伸角度，具體如公式3 所示：

式中：S 表示焊接拉伸角度，?表示迎合距離，h 表示焊接重疊距離，ω1表示鑄件坡口移位差，ω2表示鋁合金板移位差。通過得出的焊接拉伸角度進(jìn)行鑄件激光焊接的雙向調(diào)整。隨后，在不同的環(huán)境下進(jìn)行焊接入射角度的推算與設(shè)定，若移位距離為5～10 m，焊縫距離為2.51 m，則設(shè)定鑄件焊接入射角度為65°；若移位距離為11～21 m，焊縫距離為3.05 m，則設(shè)定鑄件焊接入射角度為78°；若移位距離為22～29 m，焊縫距離為3.65 m，則設(shè)定鑄件焊接入射角度為95°，以此確保后續(xù)焊接的穩(wěn)定性與可靠性。

1.3 焊縫激光布設(shè)及分層錘擊處理

焊縫設(shè)定一般具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，可以先在鋁合金鑄件的坡口處設(shè)定一處均衡焊接點(diǎn)，利用激光焊接設(shè)備設(shè)定好入射角后，測定出鑄件焊縫的連接面積，在標(biāo)記范圍內(nèi)分階段設(shè)定焊接接頭，具體見表1。

表1 焊接接頭設(shè)定表

隨后，將焊接電機(jī)軸與激光所指的方向進(jìn)行順延設(shè)定，與焊縫、角焊縫形成搭接，設(shè)定入射角度為95°，并構(gòu)建激光焊縫布設(shè)結(jié)構(gòu)，具體見圖1。

結(jié)合圖1 布設(shè)，結(jié)合激光焊接技術(shù)，對焊縫進(jìn)行標(biāo)記處理及應(yīng)變布設(shè)。再采用錘擊法對逐鑄件對焊縫進(jìn)行適當(dāng)鍛延，以減少鑄件內(nèi)部的縫隙，增強(qiáng)關(guān)聯(lián)密度，補(bǔ)償收縮，減小變形問題發(fā)生的概率。需要注意的是，對鑄件的錘擊也需要適宜的溫度進(jìn)行輔助焊接，在焊接過程中應(yīng)確保周圍的鑄件的溫度在225 ℃～480 ℃之間。需要利用高溫回火處理零件和及鑄件的焊接工具，消除焊接殘余應(yīng)力，最大程度縮小零件尺寸標(biāo)準(zhǔn)位移，當(dāng)爐內(nèi)緩冷，鑄件溫度鑄件恢復(fù)正常后，依據(jù)焊接的形式尺寸大小及結(jié)構(gòu)形式選取合理的焊接數(shù)值，完成焊縫布設(shè)，至此，基本鑄件框架形成。

圖1 光焊縫布設(shè)結(jié)構(gòu)圖示

1.4 鑄件激光焊接側(cè)向拉伸

這部分主要是對鑄件中標(biāo)定的焊接氣孔進(jìn)行關(guān)聯(lián)，采用激光進(jìn)行指引，逐步形成拉伸的狀態(tài)，擴(kuò)大鋁合金鑄件的等效應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。通過KEYENCE VHX -1000E 顯微鏡對鑄件中不同材質(zhì)的搭接板進(jìn)行打孔，降低鑄件過程的空氣阻力。再進(jìn)行熔合性焊接，同時(shí)利用激光焊接模式測定出每一個(gè)氣孔之間的距離，對鑄件進(jìn)行拉伸式焊接。可以從四個(gè)方向利用承接板進(jìn)行拉伸過渡，并利用激光作為指引，嘗試首次拉伸，如果鑄件出現(xiàn)斷裂的狀態(tài)，可以通過增溫的方式提升鑄件的柔軟度，在此過程中激光焊接設(shè)備會迅速將拉伸斷裂的位置進(jìn)行修補(bǔ)，降低出現(xiàn)裂縫的概率。但需要注意的是，拉伸的距離需要與激光焊接移位的距離保持一致，以最大程度減少鋁合金鑄件的承壓情況，促使焊接過程中的外在壓力均勻分?jǐn)?，這對后方的焊接拉伸也具有積極影響。

1.5 剛性固定法實(shí)現(xiàn)鋁合金鑄件焊接

剛性固定法實(shí)際上是一種對鋁合金鑄件的多反向固定焊接模式，一般情況下，會先測算出激光焊接過程中的移位距離，根據(jù)移位狀態(tài)設(shè)定拉伸方向及長度，利用獲取的數(shù)據(jù)性測算出剛性固定的范圍，具體如公式4 所示：

式中：t 表示剛性固定范圍，m 表示焊接移位距離，n 表示焊縫偏差，σ 表示焊縫數(shù)量表示激光覆蓋區(qū)域，w 表示激光焊接次數(shù)。結(jié)合得出的剛性固定范圍，劃定鋁合金鑄件的實(shí)際固定區(qū)域，再根據(jù)引入搭接的位置及方向調(diào)整入射角，不斷變化實(shí)際的焊接位置以及作用面積，在合理的范圍之內(nèi)重新布設(shè)鑄件各個(gè)位置的焊接點(diǎn)位，搭接成動(dòng)態(tài)化的焊接面，采用固定焊接搭配激光焊接的混合方式，進(jìn)一步擴(kuò)大焊接的層級效果，縮小焊接應(yīng)用的差值，確保鋁合金鑄件的順利焊接處理。

2 實(shí)驗(yàn)分析

本次主要是對激光焊接技術(shù)在鋁合金鑄件中的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與研究，對比方法為傳統(tǒng)等離子焊接技術(shù)和CMT 焊接技術(shù)（文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]方法）。考慮到最終實(shí)例分析結(jié)果的真實(shí)可靠，選擇A 鑄件廠的三個(gè)批次產(chǎn)品作為測試的主要目標(biāo)對象，測定的環(huán)境保持一致，鑄件應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)可協(xié)調(diào)，結(jié)合激光焊接技術(shù)獲取最終的應(yīng)用分析結(jié)果。

本次主要針對A 鑄件廠中的三條生產(chǎn)線上的商品進(jìn)行焊接輔助處理。采用激光描述技術(shù)對鑄件的基礎(chǔ)數(shù)值和外形參數(shù)獲取，采用單道焊的形式進(jìn)行單向連接，并測算出鑄件的焊縫距離，依據(jù)得出的焊縫距離進(jìn)行焊接點(diǎn)位的標(biāo)記與部署，見圖2。

圖2 焊接點(diǎn)位及區(qū)域設(shè)定圖示

結(jié)合圖2，根據(jù)實(shí)際的焊接需求及情況，布設(shè)核心焊接點(diǎn)位以及輔助焊接點(diǎn)位，利用激光焊接技術(shù)進(jìn)行焊接對接與鑄件熔合，焊接完成后如果未出現(xiàn)熔合現(xiàn)象，表明焊接效果達(dá)標(biāo)。在三個(gè)生產(chǎn)線路中取樣6 個(gè)鑄件作為測試目標(biāo)，采用CHW-50C3 焊絲標(biāo)記鑄件的裂口位置，實(shí)測承壓值為256 MPa。此時(shí)，為調(diào)整鑄件的焊接位置，利用焊接設(shè)備的激光對鑄件的母材進(jìn)行分割，標(biāo)定出熔合線，設(shè)定焊接氣孔，避免出現(xiàn)焊縫未熔合的情況。為測定出最終的焊接應(yīng)用結(jié)果，測定其抗拉強(qiáng)度，具體如公式5 所示：

式中：G 表示抗拉強(qiáng)度，δ 表示焊接距離，μ 表示焊縫寬度，v1表示預(yù)設(shè)延長焊接距離，v2表示實(shí)測延長焊接距離，表示焊接承載值。結(jié)合得出的抗拉強(qiáng)度，測定出鑄件的焊接效果，見表2。

表2 測試結(jié)果比照分析表

由表2 可知，與傳統(tǒng)等離子焊接鑄件應(yīng)用測試組、CMT 焊接鑄件應(yīng)用測試組相比，本文所設(shè)計(jì)的激光焊接鑄件應(yīng)用測試組最終得出的移位距離較小，僅為0.76 mm，抗拉強(qiáng)度較高，為560 MPa。表明在實(shí)際焊接過程中，本文方法具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)新意義。

3 結(jié)論

綜上所述，便是對激光焊接技術(shù)在鋁合金鑄件中的實(shí)際應(yīng)用效果的分析與研究的全過程。對比于傳統(tǒng)等離子焊接技術(shù)和CMT 焊接技術(shù)，本次使用的激光焊接技術(shù)的覆蓋范圍相對更大，應(yīng)用過程中所形成的焊接環(huán)節(jié)更為靈活、多變，具有更強(qiáng)的針對性，能夠加強(qiáng)對焊接點(diǎn)的控制，提升鋁合金鑄件的抗拉強(qiáng)度，具有一定應(yīng)用價(jià)值。