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铝及铝型材激光焊接的新技术工艺特点及难点

作者: 时间:2019-04-042033 次浏览

【摘要】综述了铝型材激光焊接的特点及难点,分析了铝型材焊接中诸如小孔的诱导和稳定,气孔及热裂纹等问题及其解决方法,介绍了铝型材激光焊接的新方法和新进展。

   
  一、概述
    铝型材具有高比强度、高比模量和高疲劳强度,以及良好的断裂韧性和较低的裂纹扩展率,同时还具有优良的成形工艺性和良好的抗腐蚀性。因此,被广泛应用于各种焊接结构和产品(Product)中。
    传统的铝型材焊接一般采用TIG焊或MIG焊工艺,但所面临的主要问题是焊接过程中较大的热输入使铝型材板变形较大,焊接速度慢,生产效率低。由于焊接变形大,随后的改正工作往往浪费大量的时间,增加了制造成本,影响(influence)了生产效率和制造质量。而激光(LASER)焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点,使其在铝型材焊接领域受到格外的重视。
    铝型材激光焊接的主要难点在于:
   
  (1)铝型材对激光(LASER)束的高初始反射率及其本身的高导热性,使铝型材在未熔化前对激光的吸收率很低, ;小孔 ;的诱导比较困难。汽车铝材为了促进铝的消费,许多成立了铝的相关组织,并将汽车用铝的应用写入有关的政策法规。日本铝业协会还专门成立了汽车用铝委员会。随着世界汽车轻量化进程的加快,汽车市场竞争国际化日趋激烈,国产汽车要达到国外同类车水平,汽车用铝增加是必然趋势。今后铝合金的用量将随着各类汽车产量的上升而增加,必将给我国铝工业提供广阔的市场,带来发展机遇。
   
  (2)铝的电离能低,焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展,使得焊接稳定性差。
   
  (3)铝型材激光焊接过程中容易产生气孔和热裂纹。
   
  (4)焊接过程中合金元素的烧损,使铝型材焊接接头的力学性能下降。
   
  二、铝型材激光焊接的问题及对策
    1.铝(Al)型材对激光的吸收率问题
    材料对激光的吸收率由下式决定:
    ε=0.365{ρ【1+β(T-20)】 /λ}1/2
    式中   ρ——铝型材20℃的直流电阻率,Ω.m;
           β——电阻温度系数,℃-1;
           T——温度,℃;
           λ——激光束(LASER)的波长,m。
    对于铝型材来说,吸收率是温度的函数。在铝型材表面熔化、汽化前,由于铝型材对激光的高反射,吸收率将随温度的升高缓慢增加,一旦铝型材表面熔化、汽化,对激光的吸收率就会迅速增大。为提高铝型材对激光的吸收,可以采用以下方法:(1)采取适当的表面预处理工艺   表1所示为铝在原始表面(铣、车加工后) 、电解抛光、喷砂(300目砂子)及阳极氧化(oxidation)(氧化层厚度μm 级) 4种表面状况下对入射光束能量(Beam energy)的吸收情况。由此可见,阳极氧化和喷砂处理可以显著提高铝对激光束的能量吸收。另外,砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层及空气炉中氧化等铝表面预处理措施(指针对问题的解决办法)对激光束的吸收是有效的。   
  (2)激光器参数调整   选用短焦距透镜和低阶模输出均可使光斑尺寸减小,激光功率密度增大,铝型材对激光的吸收率也增大。
    
  (3)焊接结构设计   将工件坡口设计成斜30°角,这样激光束能在空隙中多次反射,形成一个人工小孔,从而增加激光束的吸收率。
 
    
  2. 小孔效应及等离子体对铝型材激光焊的影响
     在铝型材激光焊合过程中,小孔的出现可以大大提高材料对激光的吸收率,焊件可以获得更多的能量。但由于低熔点合金(alloy)元素的蒸发,使得光致等离子体易于过热和扩展,小孔的稳定性差,从而影响焊缝成形和接头的力学性能,并且容易产生气孔等焊接缺陷,所以小孔的诱导和稳定成为研究的一个重点。
    根据相关资料可知,在不同的铝型材焊接中均存在一个激光(LASER)能量密度阈值(threshold),低于此值时熔深很浅,而一旦达到或超过此值,熔深会大幅度提高。当工件上的激光功率密度达到3.5×106W/cm2时,产生等离子体,这是深熔焊开始的标志;功率密度低于此值时,进行热传导焊接;而在深熔焊与热传导焊之间的过渡区,两者交替进行,使得熔深波动很大。
     研究表明,诱导小孔所需能量密度阈值的高低主要和铝型材中某些低沸点合金元素(如M
  G、Zn 等)的包含比重成反比。合金元素含量越高,其阈值越低。主要原因是合金元素M
  G、Zn 的沸点大大低于铝的沸点。Mg的沸点为1090℃,Zn的沸点低于1000℃,而铝的沸点为2467℃。合金(alloy)元素大量蒸发形成的蒸汽压有利于小孔的形成,所以某些低沸点合金元素(如Li等)的加入有利于小孔的形成,使得铝型材易焊。
     有的研究指出,在相同条件下用氦气作保护气体比用氩气获得的熔深小。原因是与氩气相比,氦气重量轻、气压低,对凹陷熔池的作用小;氦的离子化能量高,等离子体温度低,难以对熔池表面加热。但在采用高功率激光器低速焊时,氦气可以获得深熔焊。现在非常多研究采用两种气体联合保护,调整其混合配比,可以获得较好的熔深和焊缝成形。采用氮气保护时,即使焊速很高,也能获得深熔焊,但容易产生未焊透,焊缝成形不良。激光焊接过程中产生的等离子体能吸收激光能量,改变光束的聚焦状态,使焊缝的深宽比减小。等离子体的不稳定会导致熔深不等,影响焊缝成形和接头的力学性能。近年来,有的研究者采用在工件表面预置粉末法来减弱等离子体在高度方向上的膨胀跳动,使等离子体在工件表面能维持跳动幅度的相对稳定。    3.铝(Al)型材的激光焊接性问题
    
  (1)气孔问题  铝型材种类不同,产生的气孔类型也不同。一般认为,铝型材焊接过程中可能产生以下几种气孔:
  ①氢气孔。纺织铝配件对毛料的表面质量要求标准有明显降低,粉末涂层并且可以完全覆盖型材表面的挤压纹,掩盖一部分铝型材表面的瑕疵,提高铝型材成品的表面质量。铝型材在有氢的环境中熔化后,其内部的含氢量可达0.69mL/100g 以上。但凝固以后,其平衡状态下的溶氢能力最多只有0.036mL/100g,两者相差近20倍。因此,在由液态向固态转变的过程中,液态铝中多余的氢必定要析出。如果析出的氢不能顺利上浮逸出,就会聚集成气泡残留在固态铝型材中成为气孔。
 
     日本学者在封闭的条件下将焊缝气孔中的气体收集起来进行分析,得出的结果为:氢(Hydrogen)气占90%,氮气10%。汽车铝材为了促进铝的消费,许多成立了铝的相关组织,并将汽车用铝的应用写入有关的政策法规。日本铝业协会还专门成立了汽车用铝委员会。随着世界汽车轻量化进程的加快,汽车市场竞争国际化日趋激烈,国产汽车要达到国外同类车水平,汽车用铝增加是必然趋势。今后铝合金的用量将随着各类汽车产量的上升而增加,必将给我国铝工业提供广阔的市场,带来发展机遇。因此,通常认为减少焊缝气孔的有效措施就是掐断焊接时的供氢源。
  ②保护气体产生的气孔。有研究认为,在高能激光焊合铝型材的过程中,由于熔池底部小孔前沿金属的强烈蒸发,使保护气体被卷入熔池中形成气泡。当气泡来不及逸出而残留在固态铝型材中即成为气孔。表2是A5083合金激光焊接气孔中保护气体的含量。
  ③小孔塌陷产生的气孔。在激光(LASER)焊合过程中,当表面张力大于蒸汽压力时,小孔将不能维持稳定而塌陷,金属来不及填充就形成了孔洞,如图1所示。
 
 图1
     Matsunawa教授的实时小孔观测试(TestMeasure)验引起了激光焊接领域的极大关注,相关的小孔模型研究和直接观测研究工作大量涌现。随之而来,对更大化减少和避免铝型材激光焊接中的气孔缺陷也提出了很多的实际措施,如调整激光功率波形、减少小孔不稳定倒塌、改变光束焦点高度和倾斜照射,在焊接时施加电磁场作用以及在真空中进行焊接等。近几年来,又有研究者采用填丝或预置合金粉末(见图2)、复合热源和双焦点技术等来减少气孔的产生,取得了不错的效果。
 
    
  (2)裂纹问题  铝型材属于典型的共晶合金,在激光焊合快速凝固条件下更容易产生热裂纹。焊缝金属结晶时在柱状晶边界形成Al-Si或Mg-Si等低熔点共晶是导致裂纹产生的主要原因。为减少热裂纹,可以采用填丝或预置合金粉末等方法进行激光焊接。使用YAG激光器时,调节脉冲波形,控制热输入也可以减少结晶裂纹。
 
   
  三、铝型材激光焊接的发展前景    铝型材激光焊接最为引人关注的特点是其高效率,而要充分发挥这种高效率就要把它运用到大厚度深熔焊接中。因此,研究和使用大功率激光器进行大厚度深熔焊接将是未来发展的必然趋势。大厚度深熔焊更加突出了小孔现象及其对焊缝气孔的影响,因此小孔形成机理及其控制(control)变得更加重要,它必将成为未来学术界及工业界共同关心和研究的热点问题。
     改善激光焊接过程的稳定性和焊缝成形、提高焊接质量是人们追求的目标。因此,激光-电弧复合工艺、填丝激光焊接、预置粉末激光焊接、双焦点技术以及光束整形等新技术将会得到进一步的完善和发展。
     另外,有人发现在CO2激光焊接熔池中存在几安培的固有电流,焊接区的外加磁场会影响(influence)熔池的流动状态以及光致等离子体的形态和稳定性(The stability of)。因此,采用某种形式的磁场有可能改善铝型材激光焊接过程的稳定性和焊缝质量。所以,采用辅助电流,通过其形成的电磁力控制熔池流动状态,从而改善焊接过程的稳定性,提高焊缝质量,也可能会受到更多研究者的关注。 
 美国在20世纪70年代初的航空、航天工业中就已利用15kW的CO2激光器针对飞机制造业中的各种材料、零部件,进行焊接试验、评估工艺的标准化。在欧盟中,意大利首先于20世纪70年代末从美国引进15kW的CO2激光器,随后由联盟对航空发动机、航天工业中的各种容器及轻量级结构立项,开展了长达8年的激光焊接应用研究。材料涉及钛合金(alloy)、镍基、铁基高温合金等。近年来新的应用成果是铝型材飞机机身的制造,用激光焊接技术取代传统的铆钉(rivet),从而减轻飞机机身的重量近20%,提高强度近20%,此项技术计划用于空中客车3l8、380以及一些无人驾驶飞机的制造。