鋁合金激光焊接的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

　　一、概述
　　鋁合金具有高比強(qiáng)度、高比模量和高疲勞強(qiáng)度，以及良好的斷裂韌性和較低的裂紋擴(kuò)展率，同時(shí)還具有優(yōu)良的成形工藝性和良好的抗腐蝕性。因此，被廣泛應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品中。

　　傳統(tǒng)的鋁合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊工藝，但所面臨的主要問(wèn)題是焊接過(guò)程中較大的熱輸入使鋁合金板變形較大，焊接速度慢，生產(chǎn)效率低。由于焊接變形大，隨后的矯正工作往往浪費(fèi)大量的時(shí)間，增加了制造成本，影響了生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量。而激光焊接具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區(qū)小和焊接變形小等特點(diǎn)，使其在鋁合金焊接領(lǐng)域受到格外的重視。

　　鋁合金激光焊接的主要難點(diǎn)在于：

　　（1）鋁合金對(duì)激光束的高初始反射率及其本身的高導(dǎo)熱性，使鋁合金在未熔化前對(duì)激光的吸收率很低，“小孔”的誘導(dǎo)比較困難。

　�。�2）鋁的電離能低，焊接過(guò)程中光致等離子體易于過(guò)熱和擴(kuò)展，使得焊接穩(wěn)定性差。

　　（3）鋁合金激光焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋。

　�。�4）焊接過(guò)程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能下降。

　　二、鋁合金激光焊接的問(wèn)題及對(duì)策
　　1．鋁合金對(duì)激光的吸收率問(wèn)題
　　材料對(duì)激光的吸收率由下式?jīng)Q定：

　　ε=0.365{ρ[1+β(T－20)] /λ}1/2
　　式中　　ρ——鋁合金20℃的直流電阻率，Ω.m；

　　　　　　β——電阻溫度系數(shù)，℃-1；

　　　　　　T——溫度，℃；

　　　　　　λ——激光束的波長(zhǎng)，m。

　　對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，吸收率是溫度的函數(shù)。在鋁合金表面熔化、汽化前，由于鋁合金對(duì)激光的高反射，吸收率將隨溫度的升高緩慢增加，一旦鋁合金表面熔化、汽化，對(duì)激光的吸收率就會(huì)迅速增大。為提高鋁合金對(duì)激光的吸收，可以采用以下方法：

　　（1）采取適當(dāng)?shù)谋砻?a href='../../zsk/ct.asp?id=6424' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>預(yù)處理工藝   表1所示為鋁在原始表面(銑、車加工后) 、電解拋光、噴砂(300目砂子)及陽(yáng)極氧化(氧化層厚度μm 級(jí)) 4種表面狀況下對(duì)入射光束能量的吸收情況。由此可見(jiàn)，陽(yáng)極氧化和噴砂處理可以顯著提高鋁對(duì)激光束的能量吸收。另外，砂紙打磨、表面化學(xué)浸蝕、表面鍍、石墨涂層及空氣爐中氧化等鋁表面預(yù)處理措施對(duì)激光束的吸收是有效的。

　　（2）激光器參數(shù)調(diào)整   選用短焦距透鏡和低階模輸出均可使光斑尺寸減小，激光功率密度增大，鋁合金對(duì)激光的吸收率也增大。

　　（3）焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)   將工件坡口設(shè)計(jì)成斜30°角，這樣激光束能在空隙中多次反射，形成一個(gè)人工小孔，從而增加激光束的吸收率。

　　2. 小孔效應(yīng)及等離子體對(duì)鋁合金激光焊的影響
　　在鋁合金激光焊接過(guò)程中，小孔的出現(xiàn)可以大大提高材料對(duì)激光的吸收率，焊件可以獲得更多的能量。但由于低熔點(diǎn)合金元素的蒸發(fā)，使得光致等離子體易于過(guò)熱和擴(kuò)展，小孔的穩(wěn)定性差，從而影響焊縫成形和接頭的力學(xué)性能，并且容易產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷，所以小孔的誘導(dǎo)和穩(wěn)定成為研究的一個(gè)重點(diǎn)。

　　根據(jù)相關(guān)資料可知，在不同的鋁合金焊接中均存在一個(gè)激光能量密度閾值，低于此值時(shí)熔深很淺，而一旦達(dá)到或超過(guò)此值，熔深會(huì)大幅度提高。當(dāng)工件上的激光功率密度達(dá)到3.5×106W/cm2時(shí)，產(chǎn)生等離子體，這是深熔焊開(kāi)始的標(biāo)志；功率密度低于此值時(shí)，進(jìn)行熱傳導(dǎo)焊接；而在深熔焊與熱傳導(dǎo)焊之間的過(guò)渡區(qū)，兩者交替進(jìn)行，使得熔深波動(dòng)很大。

　　研究表明，誘導(dǎo)小孔所需能量密度閾值的高低主要和鋁合金中某些低沸點(diǎn)合金元素(如Mg、Zn 等)的含量成反比。合金元素含量越高，其閾值越低。主要原因是合金元素Mg、Zn 的沸點(diǎn)大大低于鋁的沸點(diǎn)。Mg的沸點(diǎn)為1090℃，Zn的沸點(diǎn)低于1000℃，而鋁的沸點(diǎn)為2467℃。合金元素大量蒸發(fā)形成的蒸汽壓有利于小孔的形成，所以某些低沸點(diǎn)合金元素（如Li等）的加入有利于小孔的形成，使得鋁合金易焊。

　　有的研究指出，在相同條件下用氦氣作保護(hù)氣體比用氬氣獲得的熔深小。原因是與氬氣相比，氦氣重量輕、氣壓低，對(duì)凹陷熔池的作用�。缓さ碾x子化能量高，等離子體溫度低，難以對(duì)熔池表面加熱。但在采用高功率激光器低速焊時(shí)，氦氣可以獲得深熔焊�，F(xiàn)在很多研究采用兩種氣體聯(lián)合保護(hù)，調(diào)整其混合配比，可以獲得較好的熔深和焊縫成形。采用氮?dú)獗Ｗo(hù)時(shí)，即使焊速很高，也能獲得深熔焊，但容易產(chǎn)生未焊透，焊縫成形不良。

　　激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體能吸收激光能量，改變光束的聚焦?fàn)顟B(tài)，使焊縫的深寬比減小。等離子體的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致熔深不等，影響焊縫成形和接頭的力學(xué)性能。近年來(lái)，有的研究者采用在工件表面預(yù)置粉末法來(lái)減弱等離子體在高度方向上的膨脹跳動(dòng)，使等離子體在工件表面能維持跳動(dòng)幅度的相對(duì)穩(wěn)定。

　　3.鋁合金的激光焊接性問(wèn)題
　�。�1）氣孔問(wèn)題  鋁合金種類不同，產(chǎn)生的氣孔類型也不同。一般認(rèn)為，鋁合金焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生以下幾種氣孔：①氫氣孔。鋁合金在有氫的環(huán)境中熔化后，其內(nèi)部的含氫量可達(dá)0.69mL/100g 以上。但凝固以后，其平衡狀態(tài)下的溶氫能力最多只有0.036mL/100g，兩者相差近20倍。因此，在由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，液態(tài)鋁中多余的氫必定要析出。如果析出的氫不能順利上浮逸出，就會(huì)聚集成氣泡殘留在固態(tài)鋁合金中成為氣孔。

　　日本學(xué)者在封閉的條件下將焊縫氣孔中的氣體收集起來(lái)進(jìn)行分析，得出的結(jié)果為:氫氣占90%，氮?dú)?0%。因此，通常認(rèn)為減少焊縫氣孔的有效措施就是掐斷焊接時(shí)的供氫源。②保護(hù)氣體產(chǎn)生的氣孔。有研究認(rèn)為，在高能激光焊接鋁合金的過(guò)程中，由于熔池底部小孔前沿金屬的強(qiáng)烈蒸發(fā)，使保護(hù)氣體被卷入熔池中形成氣泡。當(dāng)氣泡來(lái)不及逸出而殘留在固態(tài)鋁合金中即成為氣孔。表2是A5083合金激光焊接氣孔中保護(hù)氣體的含量。③小孔塌陷產(chǎn)生的氣孔。在激光焊接過(guò)程中，當(dāng)表面張力大于蒸汽壓力時(shí)，小孔將不能維持穩(wěn)定而塌陷，金屬來(lái)不及填充就形成了孔洞。

　　Matsunawa教授的實(shí)時(shí)小孔觀測(cè)試驗(yàn)引起了激光焊接領(lǐng)域的極大關(guān)注，相關(guān)的小孔模型研究和直接觀測(cè)研究工作大量涌現(xiàn)。隨之而來(lái)，對(duì)減少和避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺陷也提出了很多的實(shí)際措施，如調(diào)整激光功率波形、減少小孔不穩(wěn)定倒塌、改變光束焦點(diǎn)高度和傾斜照射，在焊接時(shí)施加電磁場(chǎng)作用以及在真空中進(jìn)行焊接等。近幾年來(lái)，又有研究者采用填絲或預(yù)置合金粉末、復(fù)合熱源和雙焦點(diǎn)技術(shù)等來(lái)減少氣孔的產(chǎn)生，取得了不錯(cuò)的效果。

　�。�2）裂紋問(wèn)題  鋁合金屬于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固條件下更容易產(chǎn)生熱裂紋。焊縫金屬結(jié)晶時(shí)在柱狀晶邊界形成Al-Si或Mg-Si等低熔點(diǎn)共晶是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因。

　　為減少熱裂紋，可以采用填絲或預(yù)置合金粉末等方法進(jìn)行激光焊接。使用YAG激光器時(shí)，調(diào)節(jié)脈沖波形，控制熱輸入也可以減少結(jié)晶裂紋。

 

　　三、鋁合金激光焊接的發(fā)展前景
　　鋁合金激光焊接最為引人關(guān)注的特點(diǎn)是其高效率，而要充分發(fā)揮這種高效率就要把它運(yùn)用到大厚度深熔焊接中。因此，研究和使用大功率激光器進(jìn)行大厚度深熔焊接將是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。大厚度深熔焊更加突出了小孔現(xiàn)象及其對(duì)焊縫氣孔的影響，因此小孔形成機(jī)理及其控制變得更加重要，它必將成為未來(lái)學(xué)術(shù)界及工業(yè)界共同關(guān)心和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

　　改善激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊縫成形、提高焊接質(zhì)量是人們追求的目標(biāo)。因此，激光-電弧復(fù)合工藝、填絲激光焊接、預(yù)置粉末激光焊接、雙焦點(diǎn)技術(shù)以及光束整形等新技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的完善和發(fā)展。

　　另外，有人發(fā)現(xiàn)在CO2激光焊接熔池中存在幾安培的固有電流，焊接區(qū)的外加磁場(chǎng)會(huì)影響熔池的流動(dòng)狀態(tài)以及光致等離子體的形態(tài)和穩(wěn)定性。因此，采用某種形式的磁場(chǎng)有可能改善鋁合金激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量。所以，采用輔助電流，通過(guò)其形成的電磁力控制熔池流動(dòng)狀態(tài)，從而改善焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，提高焊縫質(zhì)量，也可能會(huì)受到更多研究者的關(guān)注。