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铝合金激光焊接工艺特性研究

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:互联网发布时间:2019年09月11日浏览:13

  1铝合金的特性及应用

  纯铝中加入不同合金元素制成各种铝合金,通过改变其组织结构和性能,使之成为广泛应用的轻型工程材料。经常加入的合金元素有硅、铜、镁、锌、镉、钛、镍、锶、钴以及稀土金属等。随着工业企业对铝材使用量的日益增加,轻金属焊接技术也越来越显示其重要性。随着被焊接材料的结构改变,铝材进一步显示出其优越性能:质量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好以及低温性能好,因而被广泛应用于各种焊接结构产品中。


  2激光焊接技术

  激光焊接是20世纪70年代发展起来的焊接新技术,它以高能量密度的激光(激光功率密度大于1.55×106W/cm2)作为热源,对金属进行熔化形成焊接接头。激光焊接技术分为:(1)热传导焊接。将高强度的激光束辐射到金属表面,通过激光与金属的相互作用熔化金属后形成焊缝。(2)深熔焊接。在足够高的功率密度光束照射下,材料产生蒸发形成小孔。这个充满蒸汽的小孔几乎能全部吸收入射光束能量。热量从这个高温小孔传递,熔化包围这个空腔四周的金属。小孔内充满了因光束照射小孔壁体使材料连续蒸发产生的高温蒸汽,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周是固体材料。空壁外液体流动和壁层表面的张力与空腔内连续产生的蒸汽压力保持着动态平衡。

  与其他焊接技术比较,激光焊接的优点有[1-3]:

  (1)激光束能量密度极高,焊接速度快、效率高,工件热影响区小、变形小,深宽比大(最高可达12∶1),焊接质量好。

  (2)能在室温或特殊条件下焊接。

  (3)焊接能量可精确控制,对不同材料、结构具有较高的适应性。

  (4)可焊接难熔材料,并能对异种材料施焊,效果良好。

  (5)可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑,且能精密定位,可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中。

  (6)光纤的利用可对激光束实现远距离传输,光束能按时间与空间分布,能进行分光束多工位加工,并且加工柔性好,自动化程度高。

  (7)与电子束焊接相比,焊接质量相差不大,但激光焊不需要真空环境,保护气成分、压力可自选,焊接不受电磁影响,不产生X射线。


  3铝合金激光焊接难点

  3.1铝合金对激光的表面反射和高导热性

  铝合金具有对激光高的反射率。由于铝合金中存在密度很大的自由电子,自由电子受到光波的强烈的电磁波的强迫震动而产生次波,从而造成强烈的反射波和比较弱的透射波,而透射波又在很薄的铝合金表层被吸收,因而铝合金表面对激光具有较高的反射率,吸收率很小。铝合金对CO2激光束的反射率可达96%,对Nd∶YAG激光束的反射率也接近80%[1,3]。同时,铝合金自身具有高的热导性,其热导率在室温下为普通中碳钢的3倍。因此铝合金的激光焊接要求极高的功率密度(约为钢铁材料的5倍),即对激光器的输出功率和光束位置要求极高。此外,还必须采取适当的工艺措施来提高其对激光束的吸收率。

  铝合金的表面状态影响铝合金对激光的吸收,表面粗糙、表面涂层、表面阳极氧化会增大吸收。增加吸收的涂层物质有碳黑、氧化钛、二氧化硅、硅酸钠、硅酸钾等。此外,化学反应吸收层如磷酸锰、磷酸锌、磷酸铁等磷化处理措施同样可增加吸收。实验证明,对3mm厚的A6063铝合金,当表面形成一层薄的氧化膜时,比1mm厚的表面光洁的A6063铝合金对激光的吸收率显著增大。对铝原始表面(铣、车加工后)、喷砂(300目砂纸)、电解抛光、阳极氧化(厚度μm级)四种表面状况,入射光能量吸收情况如表1所示[4]。由表1可以看出,阳极氧化和喷砂处理可以显著提高铝对光束能量的吸收。同时还研究了接头坡口几何形状对光束吸收率的影响,指出:尖V型坡口接头比无坡口或方坡口接头的吸收率要高得多。从焊接结构设计方面考虑,可以合理设计焊接缝隙来增加铝合金表面对激光能量的吸收,为使激光焊接能有效进行,焊缝尺寸应远小于激光在工件表面光斑的尺寸。

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  此外,激光束经透镜聚焦后,其光斑尺寸由d=fθ[f为光学透镜焦距(单位:mm);θ为光束发散角(单位:mrad)]决定。

  因此,选用短焦距透镜和利用低阶模输出可使光斑尺寸减小,这样增加激光功率密度,也增大了铝合金对激光的吸收率。


  3.2小孔的“诱导”和稳定性

  小孔的“诱导”和稳定性是铝合金激光焊接中的特有困难,这是由铝合金材料特性和激光光学特性造成的。在激光焊接过程中,小孔的出现可大大提高材料对激光的吸收率,焊件可获得更多的能量耦合,这是获得良好焊接质量的前提条件[5]。而固态情况下铝合金内部自由电子的密度很高,易与光束中的光子作用而将能量反射掉,这就使得铝合金成为对激光反射率最高的金属之一。另外,铝的热导性能好,被吸收的能量容易散失。因此,要想诱导出小孔就需要更高的能量密度阈值。另一方面,尽管铝合金中的合金元素如Mg、Zn、Li由于其沸点低、易蒸发、蒸气压大,对诱导小孔的产生起促进作用,但是由于其电离能低,金属蒸气易电离,大大提高等离子体中的电子密度,导致等离子体本身吸收过多的激光能量,即等离子体“过热”,使小孔不能维持连续存在。


  4激光焊接存在的缺陷

  4.1气孔

  铝合金激光焊接的主要缺陷之一是气孔,焊缝气孔的形成机理比较复杂,完全避免它的出现比较困难,这也是焊缝气孔成为铝合金激光焊接研究工作中热点问题的直接原因。一般认为:激光焊接在冷却过程中氢的溶解度急剧下降形成氢气孔;低熔点、高蒸气压合金元素蒸发导致气孔;激光束引起熔池金属波动,小孔不稳定,熔池金属紊流导致气孔。对1420铝锂合金激光焊接气孔形成机理分析表明,表层物质是焊接过程中氢的主要来源,一定要采取适当的方法进行彻底清除,而Mg、Li等合金元素不仅增加了熔池吸氢的倾向,还增加了匙孔末端的不稳定性,应该采用合适的熔透模式,改善熔池的流动,将这种不稳定性降到最低[6]

  气孔将导致焊缝的力学性能和气密性下降。对A5182铝合金激光焊缝人为制孔并进行焊缝拉伸试验,结果表明:拉伸时变形首先出现在孔附近,进而出现裂纹,然后断裂,拉伸强度和延伸率相对于无孔洞的焊缝有所下降[7]。对A3003、A6061、A6N01、A5052和A5182进行CO2激光焊接,利用气体光谱分析法分析微孔中气体成分,发现气孔中气体成分φ(H2)=90%,φ(N2)=10%,微孔产生与氢在高温大量溶入有关;对于不规则气孔,借助SEM观察和孔内EDX分析,结果表明,孔内壁镁的含量是焊缝附近的4倍,估计不规则大气孔与镁的蒸发烧损有关[7]。有研究表明,材料表面状态、保护气体种类、流量及保护方法、焊接参数和焊缝形状都影响气孔的产生,选择合适的表面处理措施,加强保护和采用高功率、高速度、大离焦量(负值)焊接时可最大限度地减少气孔的产生[8]


  4.2热裂纹

  铝合金的焊接裂纹都是热裂纹,是熔化的铝合金在凝固过程中局部塑性变形量超过其本身所能承受的变形量的结果。不同铝合金激光焊接时的裂纹归结起来主要有以下六种形式:沿焊缝中心线裂纹;沿焊缝熔合线裂纹;焊缝中的晶间裂纹;热影响区液化裂纹;因氧化膜气孔引起的裂纹;晶间显微裂纹。其中最主要的是焊缝结晶裂纹和液化裂纹。铝合金激光焊接产生的结晶裂纹是由于焊缝金属结晶时在柱状晶边界形成Al-Si或Mg-Si、Al-Mg2Si等低熔点共晶导致的[9]。激光焊接时,焊缝细,热影响区窄,特别是脉冲激光焊接,总输入能量低,冷却速度快,液化裂纹不易产生。防止热裂纹的主要措施是在激光焊接时采用填充材料。对于那些容易形成凝固裂纹的铝合金来说,填充材料的使用能有效阻止裂纹的形成,改善焊缝的机械性能。填充材料可以采用填充焊丝、电镀和涂覆的方法预置填充材料、填充粉末等方法。王海林等人利用高功率连续Nd∶YAG激光添加填充焊丝焊接铝合金2007,焊接热裂纹受到明显抑制[10]

  此外,调整焊缝金属成分,填加Si,能减少裂纹;在脉冲点焊时,调节脉冲波形,控制热输入同样可以减少结晶裂纹。


  4.3焊缝强度下降

  由于铝合金激光焊缝加热和凝固速度快,在激光作用下,会发生Mg,Zn等低熔点强化元素的烧损,导致焊缝硬度和强度下降。由于焊缝的晶粒存在严重的不均匀性,有些区域的晶粒大大超过了母材,性能测试结果表明,焊缝的强度明显比母材低。可通过填丝方法获得均匀焊缝,并抑制突出枝晶生长,细化组织,避免热裂纹的产生,提高焊缝强度[11-12]


  4.4热影响区软化

  对于加工硬化状态的非热处理强化合金来说,热影响区由于退火而产生软化,同时,该合金由于Mg的蒸发导致固溶强化效果下降而引起焊缝强度下降,对于时效状态的可热处理强化的2000系、6000系和7000系合金,焊后由于过时效,焊缝金属强度和硬度显著下降。采用2.5kW的CO2激光器焊接1mm厚的A6061,当表面坡口抛光时,气孔比率小于20%。同TIG焊焊缝相比,激光焊缝软化区窄,对热影响区硬度分布和软化区宽度的计算表明,焊接能量密度高、焊速高,则软化区窄。对激光焊缝在448K温度下,人工时效时间28.8ks,则软化全部消失。对1420铝锂激光焊接接头进行热处理后接头的抗拉强度提高到了母材的96%,显微硬度也得到很大提高,但是疲劳寿命略有下降[11]


  5焊接工艺参数对焊接质量的影响

  5.1激光功率

  激光功率是决定焊缝熔深的主要因素。当其他工艺参数不变时,随激光功率的增大,焊缝深宽比增大。这是由于当激光功率增大时,蒸发和蒸汽压力等能克服熔化金属表面张力和液体金属静压力而形成小孔,小孔有助于吸收光束能量,被称之为“壁集焦效应”或“小孔效应”。当功率太大时,由于光致等离子体对激光的屏蔽作用,使得熔深反而下降。同时,也会使金属强烈汽化,严重烧损合金,非自发形核少,熔池中液体结晶方向明显,晶粒粗大,焊缝区的硬度也有所下降,有时甚至会烧穿焊件。


  5.2焊接速度

  在其他参数不变的情况下,熔深随焊速的增加而减小,焊接效率随焊速的增加而提高,但速度过快会使熔深达不到焊接要求;速度过慢又会导致材料过度熔化,焊缝过宽,热影响区过热,热裂纹倾向增大。因此当工件厚度一定时,存在一维持熔深、熔宽的最佳焊速。同时,当激光功率一定时,焊速对焊缝区硬度有较大的影响,随焊速的增加焊缝区的硬度增大,焊接接头抗拉强度增加,力学性能变好[8]


  5.3离焦量

  在铝合金激光焊接中,离焦量的变化对焊缝的表面成形和熔深都有很大的影响。研究表明,离焦量对焊缝成形的影响为抛物线趋势,存在最佳离焦量值[11-13]

  随离焦量的负值增加熔深增大,其原因在于负离焦量时,小孔内的功率密度比工件表面的高,蒸发量更大,因而得到更大的熔深。在选择激光功率的同时必须要选择与其相应的离焦量,以保证获得光滑的焊缝表面成形。


  5.4保护气体

  激光焊接时采用保护气体,其作用是抑制光致等离子体,排除空气使焊缝免受污染。光致等离子体的形成不仅来自离子化的金属母材蒸气,而且和保护气体本身也有很大的关系。通过增加电子与离子和中性原子三体碰撞来增加电子的复合速率,以降低等离子体中的电子密度。中性原子越轻,碰撞频率越高,复合速率越高;另一方面,保护气体本身的电离能应该高,不致因气体本身的电离而增加电子密度[12]。铝合金激光焊接传统上采用Ar,N2,He3种保护气体,理论上He最轻且电离能最高,但是在较低功率、较高焊速下,由于等离子体很弱,不同保护气体差别很小。研究表明,在相同条件下,使用N2容易诱导小孔,主要是N2和Al之间可发生放热反应,生成的Al-N-O三元化合物对激光的吸收率要高一些,纯N2会在焊缝中产生Al-N脆性相,同时易形成气孔。而采用惰性气体保护时,由于质轻而逸出,气孔形成机率小,因此采用混合气体保护效果较好[6]。近年来采用Ar-O2,N2-O2等气体进行铝合金激光焊接的研究越来越多。


  6激光-电弧复合焊接

  由于采用单一的激光焊接存在诸多的不足,为了解决当前激光焊接中存在的问题,采用了激光-电弧复合焊接的新工艺。复合方法中使用的激光器通常为CO2气体激光器和YAG固体激光器;使用的电弧通常为TIG电弧、MIG电弧或等离子体。对铝合金的复合焊接研究表明,采用激光与电弧复合热源焊接,焊缝成形美观,且对熔深的影响远大于激光单独焊接时对熔深的影响,并指出激光单独焊接铝合金时,由于铝合金对激光的高反射率使得激光能量很少被吸收,故其熔深很浅;而采用复合焊接,激光照射在电弧熔池中,使铝合金母材对激光吸收的能量大幅度提高,因而熔深加大[14-15]。此外,采用复合焊接还能明显提高焊接速度、改善焊接接头性能[14-16]


  7结论

  铝合金激光焊接比传统的焊接技术具有一系列的优点,随着激光技术的不断发展,焊接中存在的问题将得到很大程度的解决,也必定为铝合金在各领域的广泛应用提供更坚实的技术保障。


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