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鋁合金具有良好的耐腐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和高強(qiáng)度,是航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶和化工行業(yè)應(yīng)用較廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料。
隨著近年來科學(xué)技術(shù)和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求不斷增加,對(duì)鋁合金焊接的研究也不斷深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展,激光焊接技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)大了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域,因此鋁合金焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。熟悉鋁合金的材料性能是提高鋁合金焊接工藝的前提。
1.鋁合金材料本身的物理化學(xué)特性
鋁合金材料具有高反射性和高導(dǎo)熱性。從微電子結(jié)構(gòu)的角度來看,鋁合金具有許多自由電子,密度小。當(dāng)激光作用于此類電子時(shí),會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)振動(dòng)和二次電磁波,導(dǎo)致強(qiáng)反射波和弱透射波。由于電子布朗運(yùn)動(dòng)會(huì)顯著改善鋁合金材料的熱傳導(dǎo)。
我國對(duì)鋁合金材料的激光焊接進(jìn)行了大量的研究,也證明了鋁合金材料的焊接需要在噴砂、砂紙、表面化學(xué)腐蝕、表面鍍、碳黑添加、氧化等表面進(jìn)行預(yù)處理。,能減少光束反射,有效提高鋁合金工件對(duì)激光束的吸收率。另外,從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來看,V形波口或拼接(拼接間隙相當(dāng)于人工孔) 該方法可增加鋁合金對(duì)激光的吸收,獲得較大的熔化深度,也可采用合理的焊接間隙設(shè)計(jì),增加鋁合金表面對(duì)激光能的吸收。
2. 等離子體對(duì)鋁合金激光焊接的影響
在鋁合金激光焊接過程中,孔的出現(xiàn)可以大大提高材料對(duì)激光的吸收率,焊接可以獲得更多的能量,鋁元素和鋁合金Mg、Zn、Li沸點(diǎn)低,易蒸發(fā),蒸汽壓力大,雖然有利于孔的形成,但等離子體的冷卻(等離子體屏蔽和吸收能量,減少激光對(duì)母材的能量輸入)使等離子體過熱,但阻礙孔的連續(xù)存在,容易產(chǎn)生孔等焊接缺陷,影響焊接類型和接頭的力學(xué)性能。因此,孔的誘導(dǎo)和穩(wěn)定性已成為保證激光焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。
由于鋁合金的高反射性和高導(dǎo)熱性,激光需要更高的能量密度來誘導(dǎo)孔的形成。能量密度閾值基本由其合金成分控制,因此可以通過控制過程參數(shù)確定激光功率,以確保適當(dāng)?shù)臒彷斎氆@得穩(wěn)定的焊接過程。此外,能量密度閾值也受到氣體類型保護(hù)的影響。例如,鋁合金采用激光焊接N氣體容易誘導(dǎo)孔,使用He氣體不能誘導(dǎo)小孔。這是因?yàn)镹2和Al發(fā)生放熱反應(yīng),產(chǎn)生 Al-N-O 激光吸收率提高了三元化合物。
3. 鋁合金焊接產(chǎn)生的氣孔問題
鋁合金種類繁多,產(chǎn)生不同的氣孔,但通常與以下氣孔不同。
1) 保護(hù)氣體產(chǎn)生的氣孔。在高能激光焊接鋁合金的過程中,由于熔池底部小孔*金屬的強(qiáng)蒸發(fā),保護(hù)氣體卷入熔池形成氣泡。當(dāng)氣泡停留在固體鋁合金中時(shí),就會(huì)變成氣孔。
2) 小孔塌陷產(chǎn)生的氣孔。在激光焊接過程中,當(dāng)表面張力大于蒸汽壓力時(shí),孔不會(huì)穩(wěn)定塌陷,金屬?zèng)]有時(shí)間填充形成孔。還有許多實(shí)際措施來減少或避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺陷,如調(diào)整激光功率波形,減少小孔不穩(wěn)定坍塌,改變光束焦點(diǎn)高度和傾斜照射,在焊接過程中施加電磁經(jīng)場(chǎng)和真空焊接。近年來,采用填充或預(yù)置合金粉末、復(fù)合熱源和雙焦點(diǎn)技術(shù)減少氣孔的過程,效果良好。
3) 氫氣孔。鋁合金在氫環(huán)境中熔化后,其內(nèi)部氫含量可達(dá)0.69ml/100g以上。但凝固后,其平衡 較多只有0的溶氫能力.036ml/100g,兩者相差近20倍。因此,在從液體向固體轉(zhuǎn)變的過程中,必須沉淀液體鋁中多余的氫。如果沉淀的氫不能順利浮出,固體鋁合金會(huì)聚集成氣泡,殘留成氣孔。
4. 鋁合金裂紋
問題:鋁合金屬于典型的共晶合金,在激光焊接快速凝固下更容易產(chǎn)生熱裂紋 邊界形成焊縫金屬晶體AL-Si或Mg-Si低熔點(diǎn)共晶是裂紋的原因。
解決方案:激光焊接可填充或預(yù)置合金粉末。通過調(diào)整激光波形,控制熱輸入也可以減少結(jié)晶裂紋。
簡(jiǎn)而言之,鋁合金激光焊接首先需要了解材料本身的化學(xué)和物理特性,并結(jié)合相關(guān)技術(shù)要點(diǎn),以避免焊接過程中對(duì)工件材料的負(fù)面影響。鋁合金焊接技術(shù)作為鋁合金在工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一,是近年來發(fā)展起來的鋁合金焊接技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步,鋁合金焊接技術(shù)的困難將取得突破,鋁合金的應(yīng)用將越來越廣泛。
