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機械人不能不知的:鋁合金激光焊質量保障措施

作者:光易網   發布時間:2016-03-23 09:40:35   瀏覽次數:4645

 導讀

  本文簡要說明鋁合金的應用特性及焊接特性,從焊接準備,加焊縫保護氣,采用雙光斑激光焊,激光填絲焊或激光-MIG復合焊,工藝參數調節等方面說明鋁合金激光焊的質量保障方法,工業生產中還可以借助現有的高端激光頭來穩定焊接質量。

關鍵詞:鋁合金;焊接;激光焊;雙光斑;復合焊

  

  鋁合金應用特性:

  鋁合金因材質輕,耐腐蝕,低溫性能和機械綜合性能好而廣泛應用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業等眾多領域。隨著近年國家對節能經濟的追求,鋁合金的需要又上了一個臺階。目前,汽車行業中適用鋁合金主要有Al-Mg (5000 系列 )、Al-Mg-Si(6000 系列)及Al-Mg-Zn(7000系列) 三大系列,汽車外殼多用耐蝕可焊的5000 系合金,而梁柱等強度要求較高的部位則用 6000 系或 7000 系合金。研究表明,采用鋁合金材料適當減輕汽車的重量可以把油耗降低37%;懸掛裝置的負荷降低18%;振動強度降低5%。在各大汽車廠加大對鋁合金加工研發與制造投入的同時,鋁合金的焊接又成為一個不得不解決好的基礎問題。

  鋁合金的焊接特性:

  目前,主要采用TIG焊、MIG焊等常規方法來焊接鋁合金。采用常規方法焊接,熱輸入量大導致焊縫寬大且熔深較淺,鋁合金導熱快,冶金時高溫溶解大量的氫來不及溢出產生氫氣孔(溶入熔池中的氫析出形成的氣孔,稱為冶金氣孔;未完全熔化的氧化膜中的水分因受熱分解析出氫形成的氣孔,稱為氧化膜氣孔);由于冶金速度快焊縫金屬晶粒粗大,焊接接頭軟化可使強度減少達到40%;鋁合金熔點低而導熱快,熔融金屬流動性差而使焊縫成型不美觀;受熱面積大,加工材料容易變形而影響加工尺寸精度。鋁合金常規焊接質量難以保障,且焊接速度難以滿足批量生產要求。

  

圖1 鋁合金焊接時氧化膜氣孔(左)和冶金氣孔(右)

  隨著激光加工應用普及化水平的提升,采用激光焊接鋁合金,熱輸入量小且熱源集中,特別是光纖激光器問世后,激光焊接鋁合金的能量密度更加集中,激光波長更短,高反射得到改善。通過激光填絲,激光-MIG復合焊,雙光斑激光焊等工藝,可明顯改善鋁合金焊接的成型效果,且焊接質量得到改善。

  無論是何種焊接方法,鋁合金焊接前準備工作是必不可少的,對鋁合金的焊接質量影響很大。焊接前對鋁合金件表面進行無水酒精或丙酮擦試,以清除表面所吸附的水或油等雜質。為防止工件在空氣中被氧化,需要對工件進行機械打磨或化學處理并烘干,以盡快完成焊接。為了加快鋁合金焊接時的熔池流動性,可以在鋁合金工件焊接背面加墊銅板以改善焊縫成型。焊接時,采用Ar氣保護,隔絕空氣,能減小氣孔的產生。

  激光焊鋁合金優化質量具體措施:

  鋁合金激光焊接開始時,存在高反射現象,嚴重影響材料對激光能量的吸收,而波長越短,材料對光的吸收就越好,因此,光纖激光比CO2激光對鋁合金的吸收要好。光纖激光的光束模式也會比CO2激光好,能量密度更加集中。一旦材料開始吸收光能,對液態金屬對光的反射率就明顯下降。

  采用雙光斑激光焊,能夠明顯改善氣孔率,主要是因為采用雙光束進行焊接時,兩束光形成一個相對較大的匙孔,提高了匙孔的穩定性,有利于氣體的逸出;相比于串行雙光束,采用并行雙光束焊接時,熔池內部溫度梯度更小,降低了液態金屬凝固速度,延長氣泡的逸出時間,有利于減小氣孔傾向;并行雙光束激光焊也能提高送絲的穩定性,對穩定焊接質量有利。

  

雙光斑激光獲得的原理圖()及能量密度分布圖()

  

  圖3并行雙光束激光焊模型圖4串行雙光束激光焊模型

  采用激光填絲焊,相比鋁合金激光自熔焊,能夠得到更好的成型。激光填絲焊能夠兼容激光焊的高能量密度和填絲焊的高橋接能力,對于有一定間隙的焊縫,能夠保證良好的成型效果。而且通過不同的填充材料的選擇,可以對母材進行不同的化學冶金,起到一定合金元素補充且強化的功效。

  采用激光復合焊,通過激光與電弧的復合,能夠有效消除激光焊形成的等離子體的影響。通過光絲間距、吹氣、焊槍角度等參數的調節,能夠獲得美觀的焊縫,而且對于厚板無需開坡口或只需開小坡口就可以形成良好的焊縫。

  

圖5 單激光焊 圖6 激光-MIG復合焊模型比較

7 HighYAG生產的PDT-B激光頭(左)Scansonic生產的ALO3激光頭()

  采用合適的焊接工藝參數,能夠保證焊接質量。圖8為6061鋁合金激光填絲焊接的激光功率和焊接速度的優化參數范圍關系圖。從該圖中可以看到,激光功率和焊接速度的優化匹配參數曲線呈直線式上升,斜率基本保持不變。每一個給定的激光功率值,在優化參數曲線上都有一個優化的焊接速度與之對應,且焊接速度可在一定范圍內變化仍能獲得成形質量好的焊縫,此區域屬于焊接穩定區。在某一功率值時,當焊接速度過大,熱輸入變小,鋁合金板材不能焊透,此時焊接速度過大則向上超過穩定區范圍,屬于未熔透區;當焊接速度過小,熱輸入過大,熔池下塌嚴重,此時屬于熔池坍塌區。要獲得穩定的焊縫成型,需要匹配合適的焊接工藝參數。

  (本文由武漢法利萊切焊系統工程有限責任公司 高級工程師 沈義提供,感謝作者的大力支持!)

  作者:光易網——專業二手激光設備服務平臺;微信公眾號“laserused”;轉載請保留版權內容。









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