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鋁合金激光焊接技術的未來

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鋁合金激光焊接技術的未來

發布日期:2017-12-14 作者: 點擊:

鋁及其合金因具有良好的耐蝕性、導電性、導熱性和高的比強度而廣泛應用于工業領域,在産量上是僅次于鋼鐵的第二類金屬材料。近年來,随着鋁合金在汽車、造船、國防、航空航天、娛樂和體育器材等制造領域越來越廣泛的運用,鋁合金焊接技術也在突飛猛進地發展,其表現可歸為3方面。

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其一,基于對傳統焊接技術的改進和創新而出現的新型鋁合金焊接技術,如低頻調制型脈沖MIG焊、交流MIG焊、雙焊槍TIG焊、穿孔型等離子弧立焊等;

其二,高鋁及其合金因具有良好的耐蝕性、導電性、導熱性和高的比強度而廣泛應用于工業領域,在産量上是僅次于鋼鐵的第二類金屬材料。近年來,随着鋁合金在汽車、造船、國防、航空航天、娛樂和體育器材等制造領域越來越廣泛的運用,鋁合金焊接技術也在突飛猛進地發展,其表現可歸為3方面。其一,基于對傳統焊接技術的改進和創新而出現的新型鋁合金焊接技術,如低頻調制型脈沖MIG焊、交流MIG焊、雙焊槍TIG焊、穿孔型等離子弧立焊等;其二,高能密度焊接技術在鋁合金焊接領域的進一步推廣和應用,如電子束焊、YAG激光焊等;其三,攪拌摩擦焊在鋁合金焊接領域中的出現。


  鋁合金焊接的特點

  鋁合金由于重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用于各種焊接結構産品中,采用鋁合金代替鋼闆材料焊接,結構重量可減輕50%以上。

  鋁合金焊接有幾大難點:

 (1)鋁合金焊接接頭軟化嚴重,強度系數低,這也是阻礙鋁合金應用的很大障礙; 

 (2)合金表面易産生難熔的氧化膜(A12O3其熔點為2060℃),這就需要采用大功率密度的焊接工藝; 

 (3) 鋁合金焊接容易産生氣孔; 

 (4) 鋁合金焊接易産生熱裂紋; 

 (5) 線膨脹系數大,易産生焊接變形; 

 (6) 鋁合金熱導率大(約為鋼的4倍),相同焊接速度下,熱輸入要比焊接鋼材大2~4倍。

  因此,鋁合金的焊接要求采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法。

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  鋁合金激光焊接技術

  目前,生産中常用MIG 焊、TIG 焊方法來焊接鋁合金材料。雖然使用這2種方法能夠得到良好的焊接接頭,但是,這2種方法卻有熔透能力差、焊接變形大、生産效率低等缺點。近年來,很多科技工作者開始探讨焊接鋁合金的新方法,如激光焊、雙光束激光焊、激光-電弧複合焊及摩擦攪拌焊等,下面主要介紹前3種焊接方法的主要特點。


  1 鋁合金的激光焊

  随着大功率、高性能激光加工設備的不斷開發,鋁合金激光焊接技術發展很快,是未來焊接鋁合金的主要發展方向之一。目前,鋁合金激光焊接已經被使用在車體部件的連接上,在Audi A2(全鋁結構)上,就有30m 激光焊縫。

  與傳統的TIG、MIG 焊相比,用激光來焊接鋁合金具有以下優點:

  (1)能量密度高,熱輸入量小,焊接變形小,能得到熔化區和熱影響區窄而熔深大的焊縫。

  (2)冷卻速度快,能得到組織微細的焊縫,故焊接接頭性能良好。

  (3)焊接速度快、功能多、适應性強、可靠性高且不需要真空裝置,所以在焊接精度、效率、自動化等方面具有無可比拟的優勢。

  激光焊接是一種高能密度的焊接工藝,焊接鋁合金可以有效防止傳統焊接工藝産生的缺陷,強度系數提高很大。但激光器功率一般都比較低,對鋁合金厚闆焊接困難,同時鋁合金表面對激光束的吸收率很低,以及要達到深熔焊時存在阈值問題,所以工藝上有一定難度。


  2 鋁合金的激光一電弧複合焊

  雖然用激光焊接鋁合金有許多優勢,但仍存在較大的局限性,如設備成本高、接頭間隙允許度小、工件準備工序要求嚴等。為了更有效地焊接鋁合金,人們發展了激光-電弧複合焊接工藝。激光-電弧複合主要是激光與TIG 電弧、MIG 電弧及等離子體的複合。目前,該工藝在德國和日本等發達國家研究比較多,并在汽車業中已有一定的應用,如大衆汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-MIG焊道,而且激光複合焊還可以用來焊接車體及輪軸。不過國内在該工藝的研究和應用上基本還是空白。

  鋁合金激光-電弧複合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對激光束的吸收率以及深熔焊的阈值問題,是極具前景的鋁合金焊接工藝之一,目前工藝還不成熟,處于研究探索階段。

  用激光和電弧複合焊接方法來焊接鋁合金時,激光與電弧相互影響,可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足,産生良好的複合效應。能顯著提高焊接效率,這主要基于2種效應:一方面是高的能量密度導緻了高的焊接速度;另一方面是2種熱源同時作用在一個相同區域的疊加效應。這種複合工藝的優勢很多,潛力很大,在未來的汽車生産中必将具有廣泛的應用前景。


  3 鋁合金的雙光束激光焊

  激光單獨焊接鋁合金時會産生由于鑰孔塌陷而産生的氣孔。針對這個問題,人們又研究了雙束激光焊,發現雙束激光焊有相對較寬的焊寬和較低的焊縫深寬比,能提高鑰孔的穩定性,可以明顯地降低氣孔敏感性。其原因在于雙束激光焊接時第一束激光産生熔池,并對附近區域進行預熱,累積的熱量使第二束激光照射該處時,可以熔化更多的母材,從而形成較寬的焊縫。此外,由于第二束激光可以把第一束激光形成的鑰孔後壁氣化,避免了鑰孔的塌陷,所以形成氣孔的幾率就要小一些。


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