鋁合金激光焊接技術(shù)研究進(jìn)展

王永朝

【摘要】：綜述鋁合金激光焊接技術(shù)特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀，開展3mm厚LF6鋁合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接工藝研究。試驗(yàn)研究表明，激光-MIG電弧復(fù)合焊接LF6鋁合金可獲得良好的焊縫成形，內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到QJ1666A-2011Ⅰ級焊縫質(zhì)量要求，接頭強(qiáng)度達(dá)到母材的90%以上，具備較為優(yōu)異的力學(xué)性能。

【關(guān)鍵詞】：鋁合金激光焊接；激光-電弧復(fù)合焊；激光填絲焊

1、鋁合金激光焊接技術(shù)

1.1鋁合金激光自熔焊

對于鋁合金激光焊來說，鋁合金表面對激光的初始反射率較高，需要較大的激光功率；光斑直徑小，工件對中、間隙適應(yīng)性較差，對焊接工裝和光束的精確調(diào)整要求較高；焊接過程加熱和冷卻速度快，加之匙孔效應(yīng)導(dǎo)致合金元素蒸發(fā)，焊接氣孔缺陷多；激光能量密度集中，匙孔效應(yīng)導(dǎo)致合金元素的揮發(fā)、燒損嚴(yán)重，易出現(xiàn)焊縫下凹和咬邊現(xiàn)象。對于鈑金成形的薄壁結(jié)構(gòu)件，由于其成形精度難以精確控制，焊接裝配間隙較大，并且不可避免地存在一定的錯(cuò)邊，都為激光自熔焊接技術(shù)在鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件的推廣和應(yīng)用帶來了困難。鑒于上述鋁合金激光自熔焊特點(diǎn)，激光自熔焊技術(shù)一般只用于較薄結(jié)構(gòu)密封焊以及對焊接質(zhì)量要求不高的情況。

1.2鋁合金激光填絲焊

與激光自熔焊相比，激光填絲焊放寬了焊接工藝要求；通過填充不同成分的焊絲，改善焊縫組織力學(xué)性能，改變焊縫金屬流動特性，改善焊縫成形，抑制氣孔、裂紋等缺陷的產(chǎn)生；利用較小功率的激光器來實(shí)現(xiàn)厚板窄焊道多層焊；激光填絲的效率與傳統(tǒng)的自熔焊差不多，參數(shù)選擇適當(dāng)時(shí)，大于激光自熔焊的焊接效率。飛機(jī)壁板是激光填絲焊接技術(shù)最為典型的應(yīng)用。歐洲空客從20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行鋁合金壁板雙側(cè)同步激光填絲焊接研究，2000年完成首件A318機(jī)身下壁板的激光焊接，2003年開始批量生產(chǎn)應(yīng)用，目前A318、A340、A380機(jī)身下壁板均采用激光焊接。我國正在研制的C919大型客機(jī)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了機(jī)身壁板雙側(cè)激光同步填絲焊接鋁合金T型接頭的研究工作，為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)大型客機(jī)機(jī)身壁板的激光焊接提供裝備和工藝支撐。

1.3鋁合金激光-電弧復(fù)合焊

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是20世紀(jì)70年代英國帝國理工大學(xué)W.Steen教授提出來的一種復(fù)合熱源焊接方法。激光-電弧復(fù)合焊接兼有激光和電弧各自的優(yōu)勢，又彌補(bǔ)了各自的不足之處，其特點(diǎn)如下：電弧的加熱延長了單激光焊接的凝固速度快的問題，有利于減少氣孔、裂紋缺陷，電弧焊絲作用可改善焊縫冶金，提高激光對間隙、錯(cuò)變的工藝適應(yīng)能力。因此，激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件的高效、高適應(yīng)性、優(yōu)質(zhì)焊接的最佳方法之一。

1.4鋁合金激光-電弧雙面焊接技術(shù)

采用激光-電弧復(fù)合焊接（即一般意義上的同側(cè)復(fù)合焊接）鋁合金，由于激光需穿過電弧后才能作用于工件，電弧等離子體對激光的吸收、散焦以及折射作用不可避免地造成激光能量的損耗。為此，某工業(yè)大學(xué)博士提出了激光-TIG電弧雙面焊接鋁合金技術(shù)，研究表明根據(jù)激光與電弧熱輸入的不同，呈現(xiàn)3種典型接頭形狀：小束腰“X”型、中束腰“X”型、大束腰“X”型，同時(shí)焊接過程穩(wěn)定、焊接效率大幅度提高，工藝適應(yīng)性較傳統(tǒng)單激光焊接明顯增強(qiáng)。

1.5鋁合金雙光束激光焊接技術(shù)

為了解決常規(guī)單光束激光焊存在的局限性，將單光束激光分離成兩束激光，通過改變兩束激光能量配比、光束間距、排布方式，對激光焊接溫度場和流動場進(jìn)行方便、靈活的調(diào)節(jié)，改變匙孔的存在模式和熔池的流動方式，提高單光束激光焊的工藝適應(yīng)性，為激光焊接工藝提供更加廣闊的選擇空間。美國學(xué)者J.XIE研究了鋁合金雙光束激光焊接技術(shù)，研究表明雙光束激光焊接鋁合金可顯著改善焊縫表面成形和咬邊缺陷以及減少氣孔缺陷。此外，法國學(xué)者A.Haboudou、尼桑汽車研究所的T.Iwase、德國斯圖加特大學(xué)的AndreasRuB均得到類似結(jié)果。

2、3mm厚LF6鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接

2.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在機(jī)器人光纖激光焊接系統(tǒng)上進(jìn)行，系統(tǒng)由4kW的IPG光纖激光器、福尼斯TPS4000型MIG/MAG焊接電源以及KUKA機(jī)器人組成，德國PrecitecYW52激光焊接頭和福尼斯推拉絲焊槍組成激光-MIG復(fù)合焊接頭，激光焊接頭與MIG焊槍采用可調(diào)節(jié)的機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)，可調(diào)整激光束與MIG電弧之間的夾角和距離（光絲間距），復(fù)合焊接頭整體置于機(jī)器人臂上。焊接試驗(yàn)采用母材為3mm厚5A06鋁合金（LF6）板材，試板尺寸100mm×300mm。

2.2焊縫成形

鋁合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接主要工藝參數(shù)為光絲間距、焊接速度、激光功率P、離焦量Δf、MIG電流、MIG氣流量、焊絲干伸、MIG電弧弧長修正等。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，可獲得良好的鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接焊縫成形。通過X射線探傷焊縫內(nèi)部質(zhì)量，達(dá)到QJ1666A-2011Ⅰ級焊縫質(zhì)量要求。

2.3接頭力學(xué)性能

在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上對鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，均斷裂在焊縫和熱影響區(qū)，這表明焊縫及熱影響區(qū)依然是接頭的薄弱環(huán)節(jié)。接頭平均強(qiáng)度338MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的95%以上，接頭平均延伸率14.1%，達(dá)到母材的76%以上，具備良好的力學(xué)性能。

2.4鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接變形

為了定性描述鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接對焊接變形的控制，對比測量平板TIG焊和激光-MIG復(fù)合焊接橫向角變形和縱向撓曲變形的大小。縱向最大撓曲變形TIG焊高達(dá)11.2mm，激光-MIG復(fù)合焊僅2.1mm；橫向最大角變形TIG焊為8.6°，激光-MIG焊僅2.4°，這表明與常規(guī)的TIG焊工藝相比，采用激光-MIG電弧復(fù)合焊接能夠更好地控制鋁合金焊接變形。

結(jié)論

（1）鋁合金激光自熔焊接表面成形不好，且易產(chǎn)生氣孔缺陷，激光填絲焊、激光-電弧復(fù)合焊以及雙光束激光焊等能夠有效解決上述問題。（2）對3mm厚LF6鋁合金進(jìn)行激光-MIG復(fù)合焊接，通過工藝優(yōu)化，可獲得良好的焊縫表面成形，內(nèi)部質(zhì)量也達(dá)到QJ1666A-2011Ⅰ級焊縫質(zhì)量要求。（3）接頭平均強(qiáng)度338MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的95%以上，接頭平均延伸率14.1%，達(dá)到母材的76%以上，具備良好的力學(xué)性能。（4）鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接縱向撓曲變形和橫向角變形均小于TIG焊。

【參考文獻(xiàn)】：

[1]陳彥賓.現(xiàn)代激光焊接技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.endprint