| laserused | 2016-03-24 16:24 |
机械人不能不知的：铝合金激光焊质量保障措施本文简要说明铝合金的应用特性及焊接特性，从焊接准备，加焊缝保护气，采用双光斑激光焊，激光填丝焊或激光-MIG复合焊，工艺参数调节等方面说明铝合金激光焊的质量保障方法，工业生产中还可以借助现有的高端激光头来稳定焊接质量。 关键词：铝合金；焊接；激光焊；双光斑；复合焊  铝合金应用特性： 铝合金因材质轻，耐腐蚀，低温性能和机械综合性能好而广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等众多领域。随着近年国家对节能经济的追求，铝合金的需要又上了一个台阶。目前，汽车行业中适用铝合金主要有Al-Mg (5000 系列 )、Al-Mg-Si(6000 系列)及Al-Mg-Zn(7000系列) 三大系列，汽车外壳多用耐蚀可焊的5000 系合金，而梁柱等强度要求较高的部位则用 6000 系或 7000 系合金。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的重量可以把油耗降低37%；悬挂装置的负荷降低18%；振动强度降低5%。在各大汽车厂加大对铝合金加工研发与制造投入的同时，铝合金的焊接又成为一个不得不解决好的基础问题。 铝合金的焊接特性： 目前，主要采用TIG焊、MIG焊等常规方法来焊接铝合金。采用常规方法焊接，热输入量大导致焊缝宽大且熔深较浅，铝合金导热快，冶金时高温溶解大量的氢来不及溢出产生氢气孔(溶入熔池中的氢析出形成的气孔，称为冶金气孔；未完全熔化的氧化膜中的水分因受热分解析出氢形成的气孔，称为氧化膜气孔)；由于冶金速度快焊缝金属晶粒粗大，焊接接头软化可使强度减少达到40%；铝合金熔点低而导热快，熔融金属流动性差而使焊缝成型不美观；受热面积大，加工材料容易变形而影响加工尺寸精度。铝合金常规焊接质量难以保障，且焊接速度难以满足批量生产要求。  图1 铝合金焊接时氧化膜气孔(左)和冶金气孔(右) 随着激光加工应用普及化水平的提升，采用激光焊接铝合金，热输入量小且热源集中，特别是光纤激光器问世后，激光焊接铝合金的能量密度更加集中，激光波长更短，高反射得到改善。通过激光填丝，激光-MIG复合焊，双光斑激光焊等工艺，可明显改善铝合金焊接的成型效果，且焊接质量得到改善。 无论是何种焊接方法，铝合金焊接前准备工作是必不可少的，对铝合金的焊接质量影响很大。焊接前对铝合金件表面进行无水酒精或丙酮擦试，以清除表面所吸附的水或油等杂质。为防止工件在空气中被氧化，需要对工件进行机械打磨或化学处理并烘干，以尽快完成焊接。为了加快铝合金焊接时的熔池流动性，可以在铝合金工件焊接背面加垫铜板以改善焊缝成型。焊接时，采用Ar气保护，隔绝空气，能减小气孔的产生。 激光焊铝合金优化质量具体措施： 铝合金激光焊接开始时，存在高反射现象，严重影响材料对激光能量的吸收，而波长越短，材料对光的吸收就越好，因此，光纤激光比CO2激光对铝合金的吸收要好。光纤激光的光束模式也会比CO2激光好，能量密度更加集中。一旦材料开始吸收光能，对液态金属对光的反射率就明显下降。 采用双光斑激光焊，能够明显改善气孔率，主要是因为采用双光束进行焊接时，两束光形成一个相对较大的匙孔，提高了匙孔的稳定性，有利于气体的逸出；相比于串行双光束，采用并行双光束焊接时，熔池内部温度梯度更小，降低了液态金属凝固速度，延长气泡的逸出时间，有利于减小气孔倾向；并行双光束激光焊也能提高送丝的稳定性，对稳定焊接质量有利。  图2 双光斑激光获得的原理图(左)及能量密度分布图(右)  图3并行双光束激光焊模型图4串行双光束激光焊模型 采用激光填丝焊，相比铝合金激光自熔焊，能够得到更好的成型。激光填丝焊能够兼容激光焊的高能量密度和填丝焊的高桥接能力，对于有一定间隙的焊缝，能够保证良好的成型效果。而且通过不同的填充材料的选择，可以对母材进行不同的化学冶金，起到一定合金元素补充且强化的功效。 采用激光复合焊，通过激光与电弧的复合，能够有效消除激光焊形成的等离子体的影响。通过光丝间距、吹气、焊枪角度等参数的调节，能够获得美观的焊缝，而且对于厚板无需开坡口或只需开小坡口就可以形成良好的焊缝。  图5 单激光焊 图6 激光-MIG复合焊模型比较  图7 HighYAG生产的PDT-B激光头(左)和Scansonic生产的ALO3激光头(右) 采用合适的焊接工艺参数，能够保证焊接质量。图8为6061铝合金激光填丝焊接的激光功率和焊接速度的优化参数范围关系图。从该图中可以看到，激光功率和焊接速度的优化匹配参数曲线呈直线式上升，斜率基本保持不变。每一个给定的激光功率值，在优化参数曲线上都有一个优化的焊接速度与之对应，且焊接速度可在一定范围内变化仍能获得成形质量好的焊缝，此区域属于焊接稳定区。在某一功率值时，当焊接速度过大，热输入变小，铝合金板材不能焊透，此时焊接速度过大则向上超过稳定区范围，属于未熔透区；当焊接速度过小，热输入过大，熔池下塌严重，此时属于熔池坍塌区。要获得稳定的焊缝成型，需要匹配合适的焊接工艺参数。  （本文由武汉法利莱切焊系统工程有限责任公司 高级工程师 沈义提供，感谢作者的大力支持！） 作者：光易网——专业二手激光设备服务平台；微信公众号“laserused”；转载请保留版权内容。 |
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