激光焊接铝合金金属材料的分析与解析

2017-07-24

金属铝合金材料在现在的金属使用中很常见,怎么焊接好铝和铝合金?由于激光焊接的特殊性这里分析激光焊接铝合金金属材料d的一些解析.

铝合金表面的高反射性和高导热性

  激光焊接是与其他的焊接非常的不同,激光焊接是由一束非常强烈的光聚焦后直径大约0.5MM的高能量光,打在被焊接的金属材料上,而由于激光的高能量使得铝和铝合金材料在极短的时间类融化。这时候的铝呈现的状态是具有非常强烈的高反射。


    那这里就从铝合金的微观结构来解释。由于铝合金中存在密度很大的自由电子,自由电子受到激光(强烈的电磁波)强迫震动而产生次级电磁波,造成强烈的反射波和较弱的透射波,因而铝合金表面对激光具有较高的反射率和很小的吸收率。同时,自由电子的布朗运动受激而变得更为剧烈,这样铝合金也具有很高的导热性。而在焊接过程中高反和高导热是非常不利的。


  铝合金焊接对激光的高反射性,国内外很多试验表明,在激光焊接铝之前做适当的表面预处理如喷砂处理、砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化等均可以降低光束反射,可以有效地增大铝合金对光束能量的吸收。另外,从焊接结构设计方面考虑,在铝合金表面人工制孔或采用光收集器形式接头,开V形坡口或采用拼焊(拼接间隙相当于人工制孔) 方法,都可以增加铝合金对激光的吸收,获得较大的熔深。另外,还可以利用合理设计焊接缝隙来增加铝合金表面对激光能量的吸收。


小孔效应及等离子体对铝合金激光焊接的影响

  在铝合金激光焊接过程中,小孔的出现可以大大提高材料对激光的吸收率,焊接可以获得更多的能量,而铝元素以及铝合金中的Mg、Zn、Li沸点低、易蒸发且蒸汽压大,虽然这有助于小孔的形成,但等离子体的冷却作用(等离子体对能量的屏蔽和吸收,减少了激光对母材的能量输入)使得等离子体本身"过热",却阻碍了小孔维持连续存在,容易产生气孔等焊接缺陷,从而影响焊接成形和接头的力学性能,所以小孔的诱导和稳定成为保证激光焊接质量的一个重点。


  由于铝合金的高反射性和高导热性,要诱导小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。由于能量密度阈值的高低本质上受其合金成分的控制,因此可以通过控制工艺参数,选择确定激光功率保证合适的热输入量,来获得稳定的焊接过程。另外,能量密度阈值一定程度上还受到保护气体种类的影响。例如,激光焊接铝合金时使用N2气时可较容易地诱导出小孔,而使用He气则不能诱导出小孔。这是因为N2和Al之间可发生放热反应,生成的Al-N-O 三元化合物提高了对激光吸收率。


激光焊接铝气孔问题

  铝合金种类不同,产生的气孔类型也不同。一般认为,铝合金在焊接过程中产生以下几类气孔。


  1) 氢气孔。铝合金在有氢的环境中熔化后,其内部的含氢量可达到0.69ml/100g以上。但凝固以后,其平衡状态下的溶氢能力最多只有0.036ml/100g,两者相差近20倍。因此,在由液态向固态转变的过程中,液态铝中多余的氢气必定要析出。如果析出的氢不能顺利上浮逸出,就会聚集成气泡残留在固态铝合金成为气孔。


  2) 保护气体产生的气孔。在高能激光焊接铝合金的过程中,由于熔池底部小孔前沿金属的强烈蒸发,使保护气体被卷入熔池形成气泡,当气泡来不及逸出而残留在固态铝合金中即成为气孔。


  3) 小孔塌陷产生的气孔。在激光焊接过程中,当表面张力大于蒸气压力时,小孔将不能维持稳定而塌陷,金属来不及填充就形成了孔洞。对减少或避免铝合金激光焊接中的气孔缺陷也有很多实际措施,如调整激光功率波形,减少小孔不稳定塌陷,改变光束焦点高度和倾斜照射,在焊接过程时施加电磁经场作用以及在真空中进行焊接等。近几年来,又出现了采用填丝或预置合金粉未、复合热源和双焦点技术来减少气孔产生的工艺,有不错的效果。


激光焊接铝裂纹问题

  铝合金属于典型的共晶合金,在激光焊接快速凝固下更容易产生热裂纹,焊缝金属结晶时在柱状晶边界形成AL-Si或Mg-Si等低熔点共晶是导致裂纹产生的原因。为减少热裂纹,可以采用填丝或预置合金粉未等方法进行激光焊接。通过调整激光波形,控制热输入也可以减少结晶裂纹。


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