脈沖激光焊接鋁合金模具試驗(yàn)研究

鋁合金的激光焊接是近年來最熱門的研究項(xiàng)目。不少單位研究了許多激光焊接鋁合金的工藝方法。激光焊接是近20年才研發(fā)的制造新技術(shù)，正在成為通用加工工具，必將取代傳統(tǒng)的制造技術(shù)，得到了各國政府及企業(yè)的高度重視。激光焊接的諸多優(yōu)點(diǎn)為鋁合金焊接提供了條件。激光焊接的最大特點(diǎn)是能把光束聚焦到很小的范圍內(nèi)，并且能很方便的輸送到任何需要的地方。

激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn) 

1） 能量密度高，熱輸入量少，工件熱變形量小；

2） 熔化區(qū)、熱影響區(qū)窄，而熔深很大；

3） 焊后自然冷卻速度極高，可達(dá)106℃/S,從而焊接熔化區(qū)組織非常細(xì)微，使接頭性能良好；

4） 激光焊接不同一般焊接，不需要電極，因而降低了成本；

5） 激光焊接不同于電子束焊接，不需要真空，提高了工作效率。所用保護(hù)氣體壓力，流量可調(diào)節(jié)；被焊工件形狀、大小不受限制；

6） 激光可遠(yuǎn)距離輸送，工藝適應(yīng)性好；

7） 激光與計(jì)算機(jī)、機(jī)械手等配合，很容易實(shí)現(xiàn)焊接過程自動(dòng)化，大大提高了焊接效率；

8） YAG激光焊接鋁合金，激光被吸收的效率高，約為20%。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對(duì)CO2激光的吸收率。

激光焊接鋁合金的難點(diǎn)

激光焊接由于有上列諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種材料的焊接，而應(yīng)用于鋁合金焊接卻遇到了一系列困難，研究者充分注意到了下列激光焊接鋁合金的難點(diǎn)：

1）鋁熔點(diǎn)低，在光束作用下很容易離子化，焊接時(shí)熔池上方等離子體氣團(tuán)較大，焊接時(shí)必須予以沖散，否則影響激光吸收效率；

2） 鋁合金焊接時(shí)，由于熔池內(nèi)元素不均勻揮發(fā)，致使焊接接頭軟化，強(qiáng)度下降；

3） 鋁合金表面存在難熔的氧化膜（Al2O3熔點(diǎn)2060℃），只有大功率密度的激光才能熔化；

4） 鋁合金焊接焊縫容易產(chǎn)生氣孔，產(chǎn)生氣孔的原因有三個(gè)：①溶解在熔池中的氫（鋁在液態(tài)易吸氫）在冷卻過程中析出又未溢出溶池，形成氣孔，稱冶金氣孔；②未完全熔化的氧化膜中水分熱分解析出氫，它依附于氧化膜而形成氣孔，稱為氧化膜孔；③深熔焊時(shí)匙孔不穩(wěn)定，留下未填滿的孔，稱為焊根孔；

5） 鋁合金焊縫冷卻速度相當(dāng)快，可達(dá)106℃/S，熔池凝固時(shí)柱狀晶發(fā)展極快，極易在柱狀晶截面產(chǎn)生裂紋，稱為結(jié)晶裂紋；由于冷卻收縮也會(huì)在焊縫附近形成裂紋，稱為液化裂紋。一般來說合金元素含量越高則產(chǎn)生裂紋的可能性越大，焊接速度越大則焊縫中裂紋數(shù)越多；

6） 鋁合金的膨脹系數(shù)大，在冷卻過程中極易使焊件變形；

7） 鋁合金的導(dǎo)熱率大，約為鋼的4倍，用樣的焊接就需要更高的功率密度。

試驗(yàn)方法及工藝選擇 

YAG脈沖激光焊接設(shè)備 

我公司于2006年由德國羅芬公司引進(jìn)“SW TOOL OPEN Ⅱ”激光加工機(jī)，其主要指標(biāo)如下：

（1）激光類型： Nd:YAG

（2）激光波長： 1.6um

（3）脈沖寬度： 0.3～20ms

（4）脈沖頻率： 1～20Hz

（5）最大脈沖能量： 100J

（6）最大平均功率： 150W

（7）最大峰值脈沖功率： 10kW

（8）光斑直徑： 200～1200um

（9）光束發(fā)散角： 235mrad

（10）模式： 多模

研究用鋁合金材料 

由于2A12鋁合金的合金元素含量較高，焊后極易出現(xiàn)裂紋及強(qiáng)度下降。

基于鋁合金對(duì)激光反射比較強(qiáng)，2A12鋁合金表面需要黑化處理，以增加2A12鋁合金對(duì)激光的吸收。實(shí)驗(yàn)先采取表面不處理的2A12鋁合金，如果不可以，再采用經(jīng)過表面黑化處理的2A12鋁合金。

保護(hù)氣體的選擇 

根據(jù)資料介紹，鋁合金激光焊接保護(hù)氣體最好使用He-Ar混合氣體，保護(hù)氣體流速約為10L/minHe+5L/minAr。

保護(hù)氣體需要有足夠的純度，尤其要求H2和H2O含量要低。鋁在液態(tài)極易吸收氫，而在冷卻過程中析出，形成氣孔；H2O高溫下與AL發(fā)生反應(yīng)放出H2，也會(huì)形成氣孔。

氫是很好的保護(hù)氣體，但對(duì)于鋁合金的激光焊接不僅帶走的余熱少，而且熔池上方的等離子氣團(tuán)嚴(yán)重，因此采用純氬做保護(hù)氣體不是十分有利。

盡管如此，考慮到目前條件及焊接成本，本研究還是選擇純氬Ar做保護(hù)氣體。

YAG脈沖激光工藝參數(shù)的選擇 

YAG脈沖激光焊接時(shí)可供選擇的工藝參數(shù)有：脈沖能量J、脈沖寬度t、脈沖頻率F、光斑直徑d。

根據(jù)資料介紹，脈沖激光焊接很少采用深熔焊，盡管能夠深熔焊，一般采用傳導(dǎo)焊，而鋁合金傳導(dǎo)焊功率密度為105～106W/cm2，也就是說鋁合金焊接時(shí)功率密度不能選擇太高。

我們所選用的YAG脈沖激光焊機(jī)，脈沖能量J、脈沖寬度t有下表所列關(guān)系，而脈沖能量J又決定了脈沖頻率f。

應(yīng)該選取較大的脈沖能量，因?yàn)殇X合金熱導(dǎo)系數(shù)較大，是鋼的4倍；鋁合金表面又有難熔的氧化膜（Al2O3）；鋁合金對(duì)激光反射又嚴(yán)重。

鋁合金焊縫質(zhì)量檢驗(yàn) 

為了確定鋁合金焊縫質(zhì)量，首先進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，例如：

① 焊縫成形是否良好？是否有飛濺？焊縫是否連接？是否有裂紋？必要時(shí)應(yīng)留有外觀相片；

② 焊縫橫斷面組織狀況，熔區(qū)形狀、氣孔、裂紋、組織等，必要時(shí)留取顯微組織相片；

③ 焊縫形狀有關(guān)尺寸，焊縫熔深，焊縫寬度，半深寬度等。

鋁合金焊縫性能檢測 

為了求證鋁合金焊接是否存在成分不均勻揮發(fā)，需用電子探針對(duì)焊接前后的鋁合金材料各元素含量進(jìn)行全分析，主要測Cu、Mg含量。

為了求證鋁合金經(jīng)焊接會(huì)軟化，從而強(qiáng)度下降，需要做抗拉強(qiáng)度ob的測定。

試驗(yàn)結(jié)果

在焊道橫剖面上測得的熔深與脈沖能量關(guān)系結(jié)果示于圖1，從圖1中得出該設(shè)備焊接2A12鋁合金最大熔深可達(dá)0.33mm。試驗(yàn)所焊接2A12鋁合金焊道結(jié)晶裂紋嚴(yán)重、氣孔較多，如圖2所示。