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      鋁合金激光焊接的特點及缺陷控制技術

      2021-05-25 13:38:04

      鋁合金激光焊接的特點及缺陷控制技術

      一、鋁合金激光焊接的特點

      與常規熔焊相比,鋁合金激光焊接具有加熱集中、深寬比大、焊接結構變形小等優點,但也存在一些缺點,可以總結如下:

      (1)激光聚焦光斑直徑小,對工件焊接和裝配精度要求高,通常裝配間隙和錯位量應小于0.1mm或板厚的10%,增加了實現復雜三維焊縫焊接結構的難度;(2)由于鋁合金在室溫下對激光的反射率高達90%,所以鋁合金的激光深熔焊需要更高的激光功率。鋁合金薄板激光焊接研究表明,鋁合金激光深熔焊依賴于激光功率密度和線能量的雙閾值,共同制約焊接過程中的熔池行為,終反映焊縫的成形特征。全熔透焊縫的工藝優化可以通過焊縫成形的特征參數背寬比來評價。

      (3)鋁合金熔點低,液態金屬流動性好,在大功率激光作用下產生強烈的金屬汽化。焊接過程中,利用小孔效應形成的金屬蒸汽/光等離子云影響鋁合金對激光能量的吸收,導致深熔焊接過程不穩定,焊縫容易出現氣孔、表面塌陷、咬邊等缺陷;

      (4)激光焊接加熱和冷卻速度快,焊縫硬度高于電弧焊。但由于鋁合金激光焊接中合金元素的燒損,影響了合金的強化效果,鋁合金焊縫中仍存在軟化問題,從而降低了鋁合金焊接接頭的強度。因此,鋁合金激光焊接的主要問題是控制焊接缺陷,提高焊接接頭的性能。

      二、鋁合金激光焊接缺陷控制技術

      在高功率激光的作用下,鋁合金激光深熔焊的主要缺陷是氣孔、表面塌陷和咬邊,而表面塌陷和咬邊缺陷可以通過激光填絲焊或激光電弧復合焊來改善,但焊縫氣孔缺陷難以控制?,F有研究結果表明,鋁合金激光深熔焊存在兩種特征氣孔,一種是冶金氣孔,與電弧熔化焊相同,是由于焊接過程中材料污染或空氣侵入;另一種是工藝氣孔,它是由激光深熔焊接過程中固有的小孔不穩定波動引起的。

      在激光深熔焊接過程中,由于液態金屬的粘性作用,小孔常常滯后于光束運動,其直徑和深度在等離子體/金屬蒸汽的影響下波動。隨著梁的運動和熔池金屬的流動,由于熔池金屬的封閉流動,在不完全深熔焊接中,氣泡出現在小孔尖端,而在全熔透深熔焊接中,氣泡出現在小孔中部的腰部。氣泡隨著液態金屬的流動而遷移和滾動,或者從熔池表面逸出,或者被推回小孔。當氣泡被熔池凝固并被金屬鋒捕獲時,它們就變成了焊縫氣孔。顯然,冶金氣孔主要是通過焊前表面處理控制和焊中合理的氣體保護來控制的,而工藝氣孔的關鍵是保證激光深熔焊時小孔的穩定性。根據國內對激光焊接技術的研究,鋁合金激光深熔焊的氣孔控制應考慮焊前、焊接過程和焊后處理的所有環節,可歸納如下。

      (1)焊前處理方法。

      焊前表面處理是控制鋁合金激光焊接冶金氣孔的有效方法。通常,表面處理方法包括物理機械清洗和化學清洗。近年來出現了激光沖擊清洗,這將進一步提高激光焊接的自動化程度。

      (2)焊接工藝參數穩定性的優控制。

      鋁合金激光焊接的工藝參數通常主要包括激光功率、離焦量、焊接速度、氣體保護成分和流量,等。這些參數不僅影響焊接區域的保護效果,還影響激光深熔焊接過程的穩定性,從而影響焊縫氣孔。通過鋁合金薄板的激光深熔焊,發現小孔熔深的穩定性影響熔池的穩定性,進而影響焊縫成形,造成焊縫氣孔缺陷。此外,激光深熔焊接的穩定性與激光功率密度和線數量的匹配有關。因此,確定合理的工藝參數是穩定焊縫成形的有效措施。全熔透穩定焊縫成形特性的研究結果表明,焊縫背面寬度與焊縫表面寬度之比(焊縫背面寬度比)可以用來評價鋁合金薄板焊縫的成形性和穩定性。當薄板激光焊接的激光功率密度和線能量合理匹配時,可以保證一定的焊縫背寬比,有效控制焊縫氣孔。

      (3)雙點激光焊接。

      兩點激光焊接是指兩個聚焦激光束同時作用于同一熔池的焊接過程。在激光深熔焊接過程中,焊縫氣孔形成的主要原因之一是小孔氣體被封閉在熔池中。使用雙點激光焊接時,由于兩個光源的作用,小孔的開口較大,有利于內部金屬蒸汽的逸出和小孔,的穩定,從而減少焊縫氣孔。對A356、AA5083、2024和5A90鋁合金的激光焊接研究表明,雙點激光焊接可以顯著降低焊縫孔隙率。


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