鋁合金激光焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用有哪些？

   隨著材料技術(shù)的發(fā)展，各種高強(qiáng)高韌鋁合金不斷推出，尤其是第三代鋁鋰合金、新型高強(qiáng)鋁合金的出現(xiàn)，對鋁合金激光焊接技術(shù)提出了更多更高的要求，同時(shí)鋁合金的多樣性也帶來了各種各樣的激光焊接新問題，所以必須深入研究這些問題，才能更有效地拓展鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力。

鋁合金激光焊接的特點(diǎn)
  與常規(guī)熔化焊相比，鋁合金激光焊接加熱集中、焊縫深寬比大、焊接結(jié)構(gòu)變形小，但是也存在一些不足，歸納起來有：
  1、激光聚焦光斑直徑細(xì)小導(dǎo)致工件焊接裝配精度要求高，通常裝配間隙、錯(cuò)邊量需小于0.1mm或板厚的10％，增大了具有復(fù)雜三維焊縫焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)施難度；
  2、由于室溫條件下鋁合金對激光的反射率高達(dá)90%，因而鋁合金激光深熔焊接要求激光器具有較高的功率。鋁合金薄板激光焊接研究表明：鋁合金激光深熔焊接取決于激光功率密度和線能量雙閾值，激光功率密度和線能量共同制約著焊接過程的熔池行為，并最終體現(xiàn)到焊縫的成形特征上，對于全熔透焊縫的工藝優(yōu)化可通過焊縫成形特征參量背寬比進(jìn)行評價(jià)；
  3、鋁合金熔點(diǎn)低，液體金屬流動(dòng)性好，在大功率激光作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的金屬汽化，在焊接過程中伴隨小孔效應(yīng)所形成的金屬蒸汽光致等離子體云影響鋁合金對激光能量的吸收，導(dǎo)致深熔焊接過程不穩(wěn)定，焊縫易于產(chǎn)生氣孔、表面塌陷、咬邊等缺陷；
  4、激光焊接加熱冷卻速度快，焊縫硬度比電弧的高，但由于鋁合金激光焊接存在合金元素?zé)龘p，影響合金強(qiáng)化作用，鋁合金焊縫仍然存在軟化問題，從而降低鋁合金焊接接頭的強(qiáng)度。因此鋁合金激光焊接的主要問題是控制焊縫缺陷和提高焊接接頭性能。
根據(jù)國內(nèi)激光焊接技術(shù)的研究，鋁合金激光深熔焊接氣孔控制應(yīng)綜合考慮焊接前、焊接過程、焊接后處理各個(gè)環(huán)節(jié)，歸結(jié)起來有以下新工藝和新技術(shù)。 
1、焊前處理方法：
  焊前表面處理是控制鋁合金激光焊縫冶金氣孔的有效方法，通常表面處理方法有物理機(jī)械清理、化學(xué)清理，近年來還出現(xiàn)了激光沖擊清理，這將進(jìn)一步提高激光焊接自動(dòng)化程度。 
2、參數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)化控制：
  鋁合金激光焊接過程工藝參數(shù)通常主要有激光功率、離焦量、焊接速度，以及氣保護(hù)的成分和流量等。這些參數(shù)既影響焊接區(qū)域的保護(hù)效果，又影響激光深熔焊接過程的穩(wěn)定性，從而影響焊縫氣孔。通過鋁合金薄板激光深熔焊接發(fā)現(xiàn)，小孔穿透穩(wěn)定性影響熔池穩(wěn)定性，進(jìn)而將影響焊縫成形造成焊縫氣孔缺陷，而且激光深熔焊接穩(wěn)定性與激光功率密度與線量匹配有關(guān)，因此確定合理的穩(wěn)定焊縫成形的工藝參數(shù)是有效控制鋁合金激光焊縫氣孔的有效措施。全熔透穩(wěn)定焊縫成形特征研究結(jié)果顯示：采用焊縫背面寬度與焊縫表面寬度之比（焊縫背寬比），評價(jià)鋁合金薄板焊縫成形及其穩(wěn)定性。當(dāng)薄板激光焊激光功率密度與線能量合理匹配時(shí)，可保證一定焊縫背寬比，并可有效地控制焊縫氣孔。 
3、雙光點(diǎn)激光焊接：
  雙光點(diǎn)激光焊接是指兩束聚焦激光束同時(shí)作用于同一熔池的焊接過程中。在激光深熔焊接的過程中，瞬間閉合將小孔中的氣體封閉在熔池中是焊縫氣孔形成的主要原因之一。當(dāng)采用雙光點(diǎn)激光焊接時(shí)，由于兩束光源的作用，造成小孔開口較大有利于內(nèi)部金屬蒸氣逸出，也有利于小孔的穩(wěn)定，從而能減少焊縫氣孔。對A356、AA5083、2024 和5A90鋁合金激光焊接的研究均顯示：雙光點(diǎn)激光焊可顯著減少焊縫氣孔。
4、激光電弧復(fù)合焊接：
  激光電弧復(fù)合焊接是將激光與電弧作用于同一熔池的焊接方法。一般以激光為主要熱源，利用激光與電弧的相互作用，提高激光焊接熔深和焊接速度，降低焊接裝配精度。利用填充焊絲調(diào)控焊接接頭的組織性能，利用電弧的輔助作用改善激光焊接小孔的穩(wěn)定性，從而有利于減少焊縫氣孔。在激光電弧復(fù)合焊接過程中，電弧影響激光過程誘發(fā)的金屬蒸汽/等離子體云，有利于材料對激光能量的吸收和小孔的穩(wěn)定性。對鋁合金激光電弧復(fù)合焊接焊縫研究結(jié)果也證實(shí)了其效果。 
5、光纖激光焊接：
  激光深熔焊接過程的小孔效應(yīng)源于激光作用下金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈汽化。金屬汽化蒸汽力與激光功率密度和束流品質(zhì)密切相關(guān)，不僅影響激光焊接的熔深，也影響小孔穩(wěn)定性。Seiji. 等對SUS304不銹鋼大功率光纖激光研究顯示：高速焊接時(shí)熔池拉長，抑制了飛濺，小孔波動(dòng)穩(wěn)定，小孔尖端無氣泡產(chǎn)生，當(dāng)光纖激光用于鈦合金、鋁合金高速焊接時(shí)，同樣可獲得無氣孔的焊縫。Allen 等對鈦合金光纖激光焊接保護(hù)氣體控制技術(shù)研究顯示：通過控制焊接保護(hù)氣體的位置，可防止氣體的卷入，減少小孔閉合時(shí)間，穩(wěn)定焊接小孔，并改變?nèi)鄢氐哪绦袨?，從而減少焊縫氣孔。 
6、脈沖激光焊接：
  與連續(xù)激光焊接相比，激光輸出采用脈動(dòng)方式輸出，可促使熔池產(chǎn)生周期性穩(wěn)定流動(dòng)，有利于熔池氣泡逸出而減少焊縫氣孔。T Y Kuo和S L Jeng研究了YAG 激光焊接激光功率輸出方式，對SUS 304L不銹鋼和inconel 690高溫合金焊縫氣孔及性能的影響結(jié)果表明：對于方波脈沖激光焊接來說，當(dāng)基值功率為1700w時(shí)，隨著脈沖幅值ΔP的增加，焊縫氣孔減少，其中不銹鋼的氣孔率由2.1% 降至0.5%，高溫合金的氣孔率由7.1% 降至 0.5%。
7、焊后復(fù)合處理技術(shù)：
  在實(shí)際工程應(yīng)用中，即使焊前進(jìn)行了嚴(yán)格的表面處理，焊接過程穩(wěn)定性較好，鋁合金激光焊接也會不可避免地產(chǎn)生焊縫氣孔，因此利用焊后處理消除氣孔的方法是很重要的。該方法目前主要是修飾焊。熱等靜壓技術(shù)是鋁合金鑄件消除內(nèi)部氣孔和縮松的方法之一，將其與鋁合金激光焊后應(yīng)力熱處理結(jié)合，形成鋁合金激光焊接構(gòu)件熱等靜壓與熱處理組成復(fù)合工藝，既消除焊縫氣孔，又改善接頭性能。