隨著激光技術(shù)和鋁合金研制技術(shù)的發(fā)展
高強(qiáng)鋁合金具有較高的比強(qiáng)度
與其他焊接方法相比
,激光焊接同時具有加熱集中、熱損傷小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優(yōu)勢,焊接過程易于集成化、自動化、柔性化
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
大功率激光器
激光焊接是將高強(qiáng)度激光輻射至金屬表面
1CO2氣體激光
工作介質(zhì)為CO2氣體,輸出10.6μm波長激光
2YAG固體激光
工作介質(zhì)是紅寶石
、釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石等,輸出波長為1.06μm的激光。YAG激光比CO2激光更易于被金屬吸收,并且受等離子體影響較小,為光纖傳輸,焊接操作靈活,焊縫位置可達(dá)性好,是目前鋁合金結(jié)構(gòu)焊接的主要激光器。
3YLR光纖激光
是2002年以后發(fā)展起來的新型激光器
,以光纖為基質(zhì)材料,摻雜不同的稀土離子,輸出波長范圍在1.08μm左右,也是光纖傳輸。光纖激光革命性地采用了雙包層光纖結(jié)構(gòu),增加了泵浦長度, 提高了泵浦效率,從而使光纖激光器的輸出功率大幅提高。與YAG 激光相比,YLR光纖激光雖然出現(xiàn)較晚,但具有體積小、運行成本低、光束質(zhì)量高等優(yōu)點,而且獲得的激光功率高。
鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究
自20世紀(jì)90年代
,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,大功率高亮度激光器的出現(xiàn),激光焊技術(shù)集成化、智能化、柔性化、多樣化發(fā)展日趨成熟,國內(nèi)外更加關(guān)注激光焊在各領(lǐng)域鋁合金結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
為了實現(xiàn)輕量化制造
,在艦船和高速列車結(jié)構(gòu)制造中,鋁合金三明治結(jié)構(gòu)的激光焊接應(yīng)用與研究是目前的研究熱點。鋁合金是航空航天結(jié)構(gòu)重要的金屬結(jié)構(gòu)材料,因此在日本、美國、英國、德國等發(fā)達(dá)國家十分重視鋁合金激光焊接技術(shù)研究。
隨著光纖激光焊接技術(shù)的發(fā)展,目前先進(jìn)國家的航空制造領(lǐng)域已將光纖激光焊接和激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)列為鋁合金焊接技術(shù)的重點
,尤其是厚板焊接和異種金屬的焊接,如美國NALI項目針對民機(jī)和JSF飛機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)正在開展光纖激光焊接和激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究。
鋁合金激光焊接的特點
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;
(3)鋁合金熔點低,液體金屬流動性好
,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
鋁合金激光焊接缺陷控制技術(shù)
在大功率激光的作用下,鋁合金激光深熔焊縫的主要缺陷是氣孔
現(xiàn)有的研究結(jié)果表明:鋁合金激光深熔焊接存在兩類特征氣孔,一類為冶金氣孔
在激光深熔焊過程中,小孔因液體金屬粘滯作用往往滯后于光束移動
,其直徑和深度受等離子體/金屬蒸汽的影響產(chǎn)生波動,隨著光束的移動和熔池金屬的流動,未熔透深熔焊接因熔池金屬流動閉合在小孔尖端出現(xiàn)氣泡,全熔透深熔焊接則在小孔中部細(xì)腰處出現(xiàn)氣泡。氣泡隨液體金屬流動而遷移、翻滾,或逸出熔池表面,或被推回到小孔,當(dāng)氣泡被熔池凝固、被金屬前沿俘獲,即成為焊縫氣孔。
顯然冶金氣孔主要靠焊前表面處理控制和焊接過程合理的氣保護(hù)所控制
,而工藝氣孔關(guān)鍵就是保證激光深熔焊接過程小孔的穩(wěn)定性。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
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
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
3雙光點激光焊接
雙光點激光焊接是指兩束聚焦激光束同時作用于同一熔池的焊接過程中
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
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
6脈沖激光焊接
與連續(xù)激光焊接相比
7焊后復(fù)合處理技術(shù)
在實際工程應(yīng)用中
由于鋁合金特性