【常识】铝合金激光焊接技能讨论

　　高强铝合金具有较高的比强度、比刚度，杰出的耐腐蚀功能、加工功能和力学功能， 已成为航空航天、舰船等载运范畴结构轻量化制作不可或缺的金属资料，其间飞机使用最多。焊接技能在进步结构资料使用率、减轻结构分量、完成杂乱及异种资料全体结构低成本制作方面独具优势，其间铝合金激光焊接技能是备受重视的热门。

　　与其他焊接办法比较，激光焊接一起具有加热会集、热损害小、焊缝深宽比大、焊接变形小等优势，焊接进程易于集成化、自动化、柔性化，可完成高速高精度焊接，特别合适杂乱结构的高精度焊接。

　　作业介质为CO2气体，输出10.6μm波长激光，按激光激起结构办法分为横流和轴流两种。横流CO2激光输出功率虽已达150kW，但光束质量较差，不合适焊接；轴流CO2激光具有较好的光束质量，可用于对激光反射率高的铝合金焊接。

　　作业介质是红宝石、钕玻璃和掺钕铝石榴石等，输出波长为1.06μm的激光。YAG激光比CO2激光更易于被金属吸收，并且受等离子体影响较小，为光纤传输，焊接操作灵敏，焊缝方位可达性好，是现在铝合金结构焊接的首要激光器。

　　是2002年今后展开起来的新式激光器，以光纤为基质资料，掺杂不同的稀土离子，输出波长范围在1.08μm左右，也是光纤传输。光纤激光革新性地选用了双包层光纤结构，添加了泵浦长度， 进步了泵浦功率，然后使光纤激光器的输出功率大幅进步。与YAG 激光比较，YLR光纤激光尽管呈现较晚，但具有体积小、运转成本低、光束质量高级长处，并且取得的激光功率高。

　　自20世纪90年代，跟着科学技能的展开，大功率高亮度激光器的呈现，激光焊技能集成化、智能化、柔性化、多样化展开日趋老练，国内外愈加重视激光焊在各范畴铝合金结构中的使用。现在，我国一些轿车制作厂家已经在部分新车型中选用激光焊接技能，跟着铝合金厚板激光焊接技能的展开，激光焊接未来将使用于坦克车结构。

　　为了完成轻量化制作，在舰船和高速列车结构制作中，铝合金三明治结构的激光焊接使用与研讨是现在的研讨热门。铝合金是航空航天结构中重要的金属结构资料，因而在日本、美国、英国、德国等发达国家十分重视铝合金激光焊接技能研讨。

　　跟着光纤激光焊接技能的展开，现在先进国家的航空制作范畴已将光纤激光焊接和激光电弧复合焊接技能列为铝合金焊接技能的要点，尤其是厚板焊接和异种金属的焊接，如美国NALI项目针对民机和JSF飞机发动机燃烧室结构正在展开光纤激光焊接和激光电弧复合焊接技能的研讨。

　　与惯例熔化焊比较，铝合金激光焊接加热会集、焊缝深宽比大、焊接结构变形小，可是也存在一些缺乏，归纳起来有：

　　1）激光聚集光斑直径细微导致工件焊接安装精度要求高，一般安装空隙、错边量需小于0.1mm或板厚的10％，增大了具有杂乱三维焊缝焊接结构的施行难度；

　　2）因为室温条件下铝合金对激光的反射率高达90%，因而铝合金激光深熔焊接要求激光器具有较高的功率。铝合金薄板激光焊接研讨标明：铝合金激光深熔焊接取决于激光功率密度和线能量双阈值，激光功率密度和线能量一起限制着焊接进程的熔池行为，并终究表现到焊缝的成形特征上，关于全熔透焊缝的工艺优化可经过焊缝成形特征参量背宽比进行点评；

　　3）铝合金熔点低，液体金属活动性好，在大功率激光效果下发生激烈的金属汽化，在焊接进程中随同小孔效应所构成的金属蒸汽/ 光致等离子体云影响铝合金对激光能量的吸收，导致深熔焊接进程不安稳，焊缝易于发生气孔、外表陷落、咬边等缺点；

　　4）激光焊接加热冷却速度快，焊缝硬度比电弧的高，但因为铝合金激光焊接存在合金元素烧损，影响合金强化效果，铝合金焊缝依然存在软化问题，然后下降铝合金焊接接头的强度。因而铝合金激光焊接的首要问题是操控焊缝缺点和进步焊接接头功能。

　　在大功率激光的效果下，铝合金激光深熔焊缝的首要缺点是气孔、外表陷落和咬边，其间外表陷落、咬边缺点能够经过激光填丝焊接或激光电弧复合焊接改进；而焊缝气孔缺点操控则比较困难。

　　现有的研讨结果标明：铝合金激光深熔焊接存在两类特征气孔，一类为冶金气孔，同电弧熔化焊相同，因为焊接进程资料污染或空气侵入所导致的氢气孔；另一类为工艺气孔，是因为激光深熔焊接进程所固有的小孔不安稳动摇所构成的。

　　在激光深熔焊进程中，小孔因液体金属粘滞效果往往滞后于光束移动，其直径和深度受等离子体/金属蒸汽的影响发生动摇，跟着光束的移动和熔池金属的活动，未熔透深熔焊接因熔池金属活动闭合在小孔顶级呈现气泡，全熔透深熔焊接则在小孔中部细腰处呈现气泡。气泡随液体金属活动而搬迁、翻滚，或逸出熔池外表，或被推回到小孔，当气泡被熔池凝结、被金属前沿抓获，即成为焊缝气孔。

　　明显冶金气孔首要靠焊前外表处理操控和焊接进程合理的气维护所操控，而工艺气孔要害便是确保激光深熔焊接进程小孔的安稳性。依据国内激光焊接技能的研讨，铝合金激光深熔焊接气孔操控应归纳考虑焊接前、焊接进程、焊接后处理各个环节，归结起来有以下新工艺和新技能。

　　焊前外表处理是操控铝合金激光焊缝冶金气孔的有用办法，一般外表处理办法有物理机械整理、化学整理，近年来还呈现了激光冲击整理，这将进一步进步激光焊接自动化程度。

　　铝合金激光焊接进程工艺参数一般首要有激光功率、离焦量、焊接速度，以及气维护的成分和流量等。这些参数既影响焊接区域的维护效果，又影响激光深熔焊接进程的安稳性，然后影响焊缝气孔。经过铝合金薄板激光深熔焊接发现，小孔穿透安稳性影响熔池安稳性，进而将影响焊缝成形构成焊缝气孔缺点，并且激光深熔焊接安稳性与激光功率密度与线量匹配有关，因而确认合理的安稳焊缝成形的工艺参数是有用操控铝合金激光焊缝气孔的有用办法。全熔透安稳焊缝成形特征研讨结果显现：选用焊缝反面宽度与焊缝外表宽度之比（焊缝背宽比），点评铝合金薄板焊缝成形及其安稳性。当薄板激光焊激光功率密度与线能量合理匹配时，可确保必定焊缝背宽比，并可有用地操控焊缝气孔。

　　双光点激光焊接是指两束聚集激光束一起效果于同一熔池的焊接进程中。在激光深熔焊接的进程中，瞬间闭合将小孔中的气体关闭在熔池中是焊缝气孔构成的首要原因之一。当选用双光点激光焊接时，因为两束光源的效果，构成小孔开口较大有利于内部金属蒸气逸出，也有利于小孔的安稳，然后能削减焊缝气孔。对A356、AA5083、2024 和5A90铝合金激光焊接的研讨均显现：双光点激光焊接可明显削减焊缝气孔。

　　激光电弧复合焊接是将激光与电弧效果于同一熔池的焊接办法。一般以激光为首要热源，使用激光与电弧的相互效果，进步激光焊接熔深和焊接速度，下降焊接安装精度。使用填充焊丝调控焊接接头的安排功能，使用电弧的辅佐效果改进激光焊接小孔的安稳性，然后有利于削减焊缝气孔。在激光电弧复合焊接进程中，电弧影响激光进程诱发的金属蒸汽/等离子体云，有利于资料对激光能量的吸收和小孔的安稳性。对铝合金激光电弧复合焊接焊缝研讨结果也证明了其效果。

　　激光深熔焊接进程的小孔效应源于激光效果下金属发生激烈汽化。金属汽化蒸汽力与激光功率密度和束流质量密切相关，不只影响激光焊接的熔深，也影响小孔安稳性。Seiji. 等对SUS304不锈钢大功率光纤激光研讨显现：高速焊接时熔池拉长，按捺了飞溅，小孔动摇安稳，小孔顶级无气泡发生，当光纤激光用于钛合金、铝合金高速焊接时，相同可取得无气孔的焊缝。Allen 等对钛合金光纤激光焊接维护气体操控技能研讨显现：经过操控焊接维护气体的方位，可防止气体的卷进，削减小孔闭合时刻，安稳焊接小孔，并改动熔池的凝结行为，然后削减焊缝气孔。

　　与接连激光焊接比较，激光输出选用脉动办法输出，可促进熔池发生周期性安稳活动，有利于熔池气泡逸出而削减焊缝气孔。T Y Kuo和S L Jeng研讨了YAG 激光焊接激光功率输出办法，对SUS 304L不锈钢和inconel 690高温合金焊缝气孔及功能的影响结果标明：关于方波脉冲激光焊接来说，当基值功率为1700w时，跟着脉冲幅值ΔP的添加，焊缝气孔削减，其间不锈钢的气孔率由2.1% 降至0.5%，高温合金的气孔率由7.1% 降至 0.5%。

　　在实践工程使用中，即便焊行进行了严厉的外表处理，焊接进程安稳性较好，铝合金激光焊接也会不可避免地发生焊缝气孔，因而使用焊后处理消除气孔的办法是很重要的。该办法现在首要是润饰焊。热等静压技能是铝合金铸件消除内部气孔和缩松的办法之一，将其与铝合金激光焊后应力热处理结合，构成铝合金激光焊接构件热等静压与热处理组成复合工艺，既消除焊缝气孔，又改进接头功能。

　　因为铝合金特性，大功率激光焊接使用还存在许多问题有待深入研讨，其首要问题便是操控焊缝气孔缺点，进步焊接质量。铝合金激光焊缝气孔工程化操控应归纳考虑焊接前、焊接进程、焊接后处理的各个环节，然后进步焊接进程安稳性。由此已衍生出许多新技能新工艺，如焊前激光整理、焊接工艺参数背宽比操控优化、双光束激光焊、激光电弧复合焊、脉冲激光焊和光纤激光焊接等。