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解決方案

何解決鋁合金激光焊接的問題

來源:工業(yè)運動控制技術(shù)2023-12-08 我要評論(0 )   

目前隨著汽車管路復(fù)雜度的提高,焊接點越來越多,不可避免帶來了很多火焰焊接問題,當(dāng)然每一種焊接方式都是有各自的優(yōu)缺點。本文來分析一下激光焊接空調(diào)管路的可行性。...

目前隨著汽車管路復(fù)雜度的提高,焊接點越來越多,不可避免帶來了很多火焰焊接問題,當(dāng)然每一種焊接方式都是有各自的優(yōu)缺點。本文來分析一下激光焊接空調(diào)管路的可行性。

一  如何解決鋁合金激光焊接的問題

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如今,激光焊接被廣泛應(yīng)用于機械加工行業(yè)。此外,激光技術(shù)還具有焊接熱輸入小、焊接受熱面積影響小、不易變形等特點,因此在鋁合金焊接領(lǐng)域受到了特別的重視。

另一方面,由于鋁合金的加工特點,鋁合金激光焊接存在一些焊接難點。如何解決這些問題呢?

問題1:鋁合金對激光的吸收率低。

這個問題主要是由于鋁合金材料的問題。由于鋁合金對激光束的高初始反射率和高導(dǎo)熱性,鋁合金在熔化前對激光束的吸收率很低。鋁合金對激光有強烈的反射效應(yīng),這是由于固態(tài)情況下鋁合金內(nèi)部自由電子密度很高,易與光束中的光子作用而將能量反射掉。研究表明,鋁合金對氣體CO2激光的反射率高達90%,對固體激光的反射率也接近80%。同時,鋁合金有很強的熱導(dǎo)率,導(dǎo)致鋁合金對激光的吸收率很低。因此,必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣咪X合金對激光的吸收率。


針對這一問題,解決方案主要包括以下幾個方面:

1.對鋁合金材料進行表面預(yù)處理。鋁合金具有高激光響應(yīng)。對鋁合金表面進行適當(dāng)?shù)那疤幚恚珀枠O氧化、電解拋光、噴砂、噴砂等。能顯著提高表面對輻射能的吸收。研究表明,去除氧化膜后鋁合金的結(jié)晶傾向高于原始鋁合金。為不破壞鋁合金表面光潔度,簡化激光焊接工藝,可采用焊接工藝提高工件表面溫度,提高材料對激光的吸收率。

2.減小光斑尺寸,提高激光功率密度。通過提高激光功率密度來提高鋁合金對激光的吸收。激光功率密度增大,會使焊接熔池產(chǎn)生小孔效應(yīng),這樣可以大大提升材料對激光的吸收率。

3.改變焊接結(jié)構(gòu),使激光束在縫隙中多次反射,方便鋁合金激光焊接。接頭形式會影響對激光的吸收。V形坡口和方形坡口比無坡口接頭更有利于匙孔的形成,使激光功率密度增大,鋁合金對激光的吸收率也隨之增加。

問題2:容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋,鋁合金激光焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋。

氣孔是在鋁合金激光焊接中出現(xiàn)最多和最主要的一類缺陷。氣孔類型可分為2類。

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一類是由于鋁合金激光焊接在冷卻過程中氫的溶解度急劇下降,熔融狀態(tài)鋁合金的含氫量可達0.69mL/100g,冷卻凝固后的鋁合金含氫量為0.036mL/100g,過飽和的氫析出而形成氫氣孔。此外,鋁合金表面有一層氧化膜,在焊接時鋁合金表面的結(jié)晶水、空氣和保護氣中的水分直接分解為氫。這些氫氣孔在鋁合金激光焊接的快速冷卻過程中來不及逸出,而留在焊縫中形成氫氣孔。

另一類是由于激光焊接過程中產(chǎn)生的匙孔不穩(wěn)定而塌陷,液態(tài)金屬來不及填充而形成的孔洞。氣孔過多將降低焊縫的致密性,減小接頭的承載能力,而且會使接頭的強度和塑性有不同程度的降低。

減少鋁合金激光焊接中氣孔缺陷的措施有很多,如改變激光光束的行走軌跡、采用光束振蕩來對熔池進行攪拌、增加氣孔逸出表面的可能性、采用填絲或填加合金粉末,以及采用雙光斑技術(shù)和激光復(fù)合焊接等措施都能達到減少氣孔的效果,但是都難以從根本上予以消除。鋁的導(dǎo)熱性比較好,可根據(jù)鋁合金的材質(zhì)、厚度和表面狀態(tài)等在焊接過程中調(diào)節(jié)激光功率波形。如圖前置的尖端波型進行焊接,也可以采用前預(yù)熱后保溫的波型進行焊接,均對減少炸點和氣孔起到一定的作用??梢詼p少氣孔的不穩(wěn)定塌陷,改變激光束的照射角度,并在焊接中施加磁場,還可以有效地控制焊接過程中產(chǎn)生的氣孔。

鋁合金激光焊接中產(chǎn)生熱裂紋的原因主要與其自身的特性和焊接工藝有關(guān)。鋁合金凝固時收縮率大(可達5%),焊接應(yīng)力和變形大,并且焊縫金屬在結(jié)晶時沿晶界會產(chǎn)生低熔點共晶組織,使晶界結(jié)合力減弱,在拉應(yīng)力的作用下形成熱裂紋。

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采用填絲或者填加合金粉末的方法可以減少熱裂紋傾向,通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)來控制加熱和冷卻的速度也可以減少熱裂紋傾向。當(dāng)使用YAG激光器時,可以通過調(diào)整脈沖波形來控制熱輸入,以減少晶體裂紋。

問題3:焊接鏈接力學(xué)性能下降-軟化

焊接過程中合金元素的燃燒損失降低了鋁合金焊接連接的力學(xué)性能。

“軟化”是焊接接頭強度和硬度降低的現(xiàn)象。采用激光焊接鋁合金接頭時,焊接接頭的焊縫組織和熱影響區(qū)同樣存在軟化問題。大量研究表明,鋁合金焊接的軟化現(xiàn)象很難從根本上消除,但是同氣體保護焊接相比,激光焊接由于降低了熱輸入,使焊縫軟化區(qū)更窄。鋁合金激光焊接與熔化極氣體保護焊相比,激光焊接接頭的“軟化”程度較低,且抗拉強度隨焊接速度增大而增大。等離子體對焊接過程的影響鋁元素的電離能低,激光焊接時更容易形成金屬等離子體,等離子體引起激光的折射、偏轉(zhuǎn),從而改變激光束的焦點位置,使焊縫熔深比減少,影響焊接接頭質(zhì)量。采用在工件表面預(yù)置粉末法來減弱等離子體在高度方向上的膨脹跳動,使等離子體在工件表面能維持跳動幅度的相對穩(wěn)定。

鋁合金焊接過程中不穩(wěn)定氣孔導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能下降。鋁合金主要包括Zn、Mg和Al。在焊接過程中,鋁的沸點高于其他兩種元素。因此,在焊接鋁合金元件時可加入一些低沸點的合金元素,有利于小孔的形成和焊接的牢固性。

二 鋁合金激光焊接技術(shù)

1鋁合金激光自熔焊接 

激光自熔焊接是指以高能量密度激光束為熱源,沖擊到母材表面,使母材自身熔化,形成焊接接頭的焊接方式。對于鋁合金激光焊接來說,鋁合金表面對激光的反射率高,焊接時需要較大的激光功率;激光光斑直徑小,對焊接工裝的精度要求高,對零件間隙容忍值低,通常要求零件間隙值在0.2mm 以下;焊接過程中加熱和冷卻速度快,焊接氣孔缺陷多,激光能量密度集中,匙孔效應(yīng)易導(dǎo)致焊縫下凹和咬邊的現(xiàn)象,因此,對焊接工藝參數(shù)有較高的要求。激光自熔焊接在鋁合金焊接中體現(xiàn)出了焊接質(zhì)量好、焊接速度快及易于自動化等優(yōu)勢,在汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛。在電動汽車行業(yè)中,動力電池殼體的密封主要采用的是鋁合金激光自熔焊接。國內(nèi)某新能源汽車企業(yè)的鋁車身中,門總成及側(cè)圍結(jié)構(gòu)件的焊接也采用的是鋁合金激光自熔焊接。

2 鋁合金激光填絲焊接 

激光填絲焊接中激光仍然作為主要熱源來熔化被焊金屬,但利用自動送絲裝置向熔池內(nèi)不斷送入填充金屬來實現(xiàn)冶金連接的過程。與激光自熔焊接相比,激光填絲焊接放寬了對焊接工藝間隙精度的要求,通過填充不同成分的焊絲,改善焊縫的冶金性能,防止產(chǎn)生焊接熱裂紋和氣孔,提高了焊接過程的穩(wěn)定性和接頭力學(xué)性能。

鋁合金激光填絲焊接具有外觀質(zhì)量好、工藝間隙精度較激光自熔焊接寬松等特點,通常應(yīng)用在車身外觀面,如頂蓋與側(cè)圍之間、行李箱蓋外板上下板之間。也有一些車型為了得到更高的焊接質(zhì)量而采用激光填絲焊接來焊接鋁合金車門。

3 鋁合金激光—電弧復(fù)合焊 

激光—電弧復(fù)合焊接是將激光和電弧2種物理性質(zhì)、能量傳輸機制截然不同的熱源復(fù)合在一起,并共同作用于被焊工件,既充分發(fā)揮了2種熱源各自的優(yōu)點,又相互彌補了各自的不足。在鋁合金激光—電弧復(fù)合焊接中,電弧可以引導(dǎo)激光熱源,提高鋁合金對激光的吸收能力以及焊接過程中的能量利用率,并且焊縫表面成形性比激光自熔焊接好。此外,電弧的引入能大大降低對焊接工件的裝卡精度,同時電弧對激光焊的等離子有稀釋作用,可以降低等離子體對激光的屏蔽作用。激光對電弧的穩(wěn)定起到重要作用,使電弧在高速焊接時能穩(wěn)定地作用在接頭上,可以改善接頭焊接質(zhì)量,提高焊接速度。

結(jié)論

鋁合金激光焊接光束能量密度可達109W/cm2,同時具有加熱集中、熱損傷小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優(yōu)勢,焊接過程易于集成化、自動化、柔性化,可實現(xiàn)高速高精度焊接,并且焊接過程無需真空環(huán)境,不產(chǎn)生X-ray,特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度焊接。鋁合金激光焊接最吸引人的特點是它的高效率,而要充分發(fā)揮這種高效率,就要把它應(yīng)用到大厚度的深熔接中去。因此,研究和應(yīng)用大功率激光進行大厚度深熔焊接將是未來發(fā)展的必然趨勢。大厚度深熔焊接突出了針孔現(xiàn)象及其對焊縫孔隙率的影響,因此針孔的形成機理和控制變得越來越多,將成為業(yè)界普遍關(guān)注和研究的熱點問題。

提高激光焊接工藝的穩(wěn)定性、焊縫成形和焊接質(zhì)量是人們追求的目標(biāo)。因此,激光電弧復(fù)合工藝、填充焊絲激光焊接、無預(yù)設(shè)粉末激光焊接、雙焦點技術(shù)、光束整形等新技術(shù)將得到進一步的完善和發(fā)展。


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鋁合金激光焊接激光電弧復(fù)合工藝
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