脈沖激光焊接鋁合金模具試驗研究

鋁合金的激光焊接是近年來最熱門的研究項目。不少單位研究了許多激光焊接鋁合金的工藝方法。激光焊接是近20年才研發的制造新技術，正在成為通用加工工具，必將取代傳統的制造技術，得到了各國政府及企業的高度重視。激光焊接的諸多優點為鋁合金焊接提供了條件。激光焊接的最大特點是能把光束聚焦到很小的范圍內，并且能很方便的輸送到任何需要的地方。

激光焊接的主要優點 

1） 能量密度高，熱輸入量少，工件熱變形量小；

2） 熔化區、熱影響區窄，而熔深很大；

3） 焊后自然冷卻速度極高，可達106℃/S,從而焊接熔化區組織非常細微，使接頭性能良好；

4） 激光焊接不同一般焊接，不需要電極，因而降低了成本；

5） 激光焊接不同于電子束焊接，不需要真空，提高了工作效率。所用保護氣體壓力，流量可調節；被焊工件形狀、大小不受限制；

6） 激光可遠距離輸送，工藝適應性好；

7） 激光與計算機、機械手等配合，很容易實現焊接過程自動化，大大提高了焊接效率；

8） YAG激光焊接鋁合金，激光被吸收的效率高，約為20%。遠遠超過對CO2激光的吸收率。

激光焊接鋁合金的難點

激光焊接由于有上列諸多優點，廣泛地應用于各種材料的焊接，而應用于鋁合金焊接卻遇到了一系列困難，研究者充分注意到了下列激光焊接鋁合金的難點：

1）鋁熔點低，在光束作用下很容易離子化，焊接時熔池上方等離子體氣團較大，焊接時必須予以沖散，否則影響激光吸收效率；

2） 鋁合金焊接時，由于熔池內元素不均勻揮發，致使焊接接頭軟化，強度下降；

3） 鋁合金表面存在難熔的氧化膜（Al2O3熔點2060℃），只有大功率密度的激光才能熔化；

4） 鋁合金焊接焊縫容易產生氣孔，產生氣孔的原因有三個：①溶解在熔池中的氫（鋁在液態易吸氫）在冷卻過程中析出又未溢出溶池，形成氣孔，稱冶金氣孔；②未完全熔化的氧化膜中水分熱分解析出氫，它依附于氧化膜而形成氣孔，稱為氧化膜孔；③深熔焊時匙孔不穩定，留下未填滿的孔，稱為焊根孔；

5） 鋁合金焊縫冷卻速度相當快，可達106℃/S，熔池凝固時柱狀晶發展極快，極易在柱狀晶截面產生裂紋，稱為結晶裂紋；由于冷卻收縮也會在焊縫附近形成裂紋，稱為液化裂紋。一般來說合金元素含量越高則產生裂紋的可能性越大，焊接速度越大則焊縫中裂紋數越多；

6） 鋁合金的膨脹系數大，在冷卻過程中極易使焊件變形；

7） 鋁合金的導熱率大，約為鋼的4倍，用樣的焊接就需要更高的功率密度。

試驗方法及工藝選擇 

YAG脈沖激光焊接設備 

我公司于2006年由德國羅芬公司引進“SW TOOL OPEN Ⅱ”激光加工機，其主要指標如下：

（1）激光類型： Nd:YAG

（2）激光波長： 1.6um

（3）脈沖寬度： 0.3～20ms

（4）脈沖頻率： 1～20Hz

（5）最大脈沖能量： 100J

（6）最大平均功率： 150W

（7）最大峰值脈沖功率： 10kW

（8）光斑直徑： 200～1200um

（9）光束發散角： 235mrad

（10）模式： 多模

研究用鋁合金材料 

由于2A12鋁合金的合金元素含量較高，焊后極易出現裂紋及強度下降。

基于鋁合金對激光反射比較強，2A12鋁合金表面需要黑化處理，以增加2A12鋁合金對激光的吸收。實驗先采取表面不處理的2A12鋁合金，如果不可以，再采用經過表面黑化處理的2A12鋁合金。

保護氣體的選擇 

根據資料介紹，鋁合金激光焊接保護氣體最好使用He-Ar混合氣體，保護氣體流速約為10L/minHe+5L/minAr。

保護氣體需要有足夠的純度，尤其要求H2和H2O含量要低。鋁在液態極易吸收氫，而在冷卻過程中析出，形成氣孔；H2O高溫下與AL發生反應放出H2，也會形成氣孔。

氫是很好的保護氣體，但對于鋁合金的激光焊接不僅帶走的余熱少，而且熔池上方的等離子氣團嚴重，因此采用純氬做保護氣體不是十分有利。

盡管如此，考慮到目前條件及焊接成本，本研究還是選擇純氬Ar做保護氣體。

YAG脈沖激光工藝參數的選擇 

YAG脈沖激光焊接時可供選擇的工藝參數有：脈沖能量J、脈沖寬度t、脈沖頻率F、光斑直徑d。

根據資料介紹，脈沖激光焊接很少采用深熔焊，盡管能夠深熔焊，一般采用傳導焊，而鋁合金傳導焊功率密度為105～106W/cm2，也就是說鋁合金焊接時功率密度不能選擇太高。

我們所選用的YAG脈沖激光焊機，脈沖能量J、脈沖寬度t有下表所列關系，而脈沖能量J又決定了脈沖頻率f。

應該選取較大的脈沖能量，因為鋁合金熱導系數較大，是鋼的4倍；鋁合金表面又有難熔的氧化膜（Al2O3）；鋁合金對激光反射又嚴重。

鋁合金焊縫質量檢驗 

為了確定鋁合金焊縫質量，首先進行外觀檢驗，例如：

① 焊縫成形是否良好？是否有飛濺？焊縫是否連接？是否有裂紋？必要時應留有外觀相片；

② 焊縫橫斷面組織狀況，熔區形狀、氣孔、裂紋、組織等，必要時留取顯微組織相片；

③ 焊縫形狀有關尺寸，焊縫熔深，焊縫寬度，半深寬度等。

鋁合金焊縫性能檢測 

為了求證鋁合金焊接是否存在成分不均勻揮發，需用電子探針對焊接前后的鋁合金材料各元素含量進行全分析，主要測Cu、Mg含量。

為了求證鋁合金經焊接會軟化，從而強度下降，需要做抗拉強度ob的測定。

試驗結果

在焊道橫剖面上測得的熔深與脈沖能量關系結果示于圖1，從圖1中得出該設備焊接2A12鋁合金最大熔深可達0.33mm。試驗所焊接2A12鋁合金焊道結晶裂紋嚴重、氣孔較多，如圖2所示。