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如何提高鋁合金焊接加工工藝的技巧
鋁合金具有良好的耐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及高強(qiáng)度的特性，是工業(yè)中應(yīng)用**廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)激光焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。提高鋁合金焊接加工工藝的前提要熟悉鋁合金的材料屬性。
1鋁合金材料本身的物理及化學(xué)特性
鋁合金材料具有高反射性及高導(dǎo)熱性，從微觀電子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，鋁合金具有眾多自由電子，密度非當(dāng)大，當(dāng)激光作用于此類電子時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)而產(chǎn)生次級(jí)電磁波，造成強(qiáng)烈的反射波與較弱的透射波，因此，鋁合表表面對(duì)激光具有較強(qiáng)的反射率而影響其對(duì)激光的吸收率，同時(shí)，由于電子的激烈的布朗運(yùn)動(dòng)會(huì)明顯提高鋁合金材料對(duì)熱的傳導(dǎo)。
國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金材料的激光焊接己經(jīng)作了大量的研究，結(jié)果也證明了對(duì)鋁合金材料的焊接需要在表面進(jìn)行預(yù)處理，如噴砂處理，砂紙?zhí)幚恚砻婊瘜W(xué)浸蝕，表面鍍，碳黑添加，氧化等均可以達(dá)到降低光束反射的作用，有效提高鋁合金工件的對(duì)激光束的吸收率，另外，從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，在鋁合金表面人工制孔或采用光收集器形式接頭，開V形波口或采用拼焊(拼接間隙相當(dāng)于人工制孔) 方法，都可以增加鋁合金對(duì)激光的吸收，獲得較大的熔深，還可以利用合理設(shè)計(jì)焊接縫隙來(lái)增加鋁合金表面對(duì)激光能量的吸收。
2小孔效應(yīng)與等離子體對(duì)鋁合金激光焊接的影響
在鋁合金激光焊接過(guò)程中，小孔的出現(xiàn)可以大大提高材料對(duì)激光的吸收率，焊接可以獲得更多的能量，而鋁元素以及鋁合金中的Mg、Zn、Li沸點(diǎn)低、易蒸發(fā)且蒸汽壓大，雖然這有助于小孔的形成，但等離子體的冷卻作用（等離子體對(duì)能量的屏蔽和吸收，減少了激光對(duì)母材的能量輸入）使得等離子體本身'過(guò)熱'，卻阻礙了小孔維持連續(xù)存在，容易產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷，從而影響焊接成形和接頭的力學(xué)性能，所以小孔的誘導(dǎo)和穩(wěn)定成為保證激光焊接質(zhì)量的一個(gè)重點(diǎn)。
因?yàn)殇X合金的高反射性和高導(dǎo)熱性，要誘導(dǎo)小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。能量密度閾值的高低本質(zhì)上受其合金成分的控制，因此可以通過(guò)控制工藝參數(shù)，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量來(lái)獲得穩(wěn)定的焊接過(guò)程。另外，能量密度閾值一定程度上還受到保護(hù)氣體種類的影響。例如，激光焊接鋁合金時(shí)使用N2氣時(shí)可較容易地誘導(dǎo)出小孔,而使用He氣則不能誘導(dǎo)出小孔。這是因?yàn)镹2和Al之間可發(fā)生放熱反應(yīng)，生成 的Al-N-O 三元化合物提高了對(duì)激光吸收率。
3鋁合金焊接產(chǎn)生的氣孔問(wèn)題
鋁合金的種類有很多，其產(chǎn)生的氣孔各有所不同，但通常都離不同以下幾類氣孔。
1) 保護(hù)氣體產(chǎn)生的氣孔。在高能激光焊接鋁合金的過(guò)程中，由于熔池底部小孔前沿金屬的強(qiáng)烈蒸發(fā)，使保護(hù)氣體被卷入熔池形成氣泡，當(dāng)氣泡來(lái)不及逸出而殘留在固態(tài)鋁合金中即成為氣孔。
2) 小孔塌陷產(chǎn)生的氣孔。在激光焊接過(guò)程中，當(dāng)表面張力大于蒸氣壓力時(shí)，小孔將不能維持穩(wěn)定而塌陷，金屬來(lái)不及填充就形成了孔洞。對(duì)減少或避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺陷也有很多實(shí)際措施，如調(diào)整激光功率波形，減少小孔不穩(wěn)定塌陷，改變光束焦點(diǎn)高度和傾斜照射，在焊接過(guò)程時(shí)施加電磁經(jīng)場(chǎng)作用以及在真空中進(jìn)行焊接等。近幾年來(lái)，又出現(xiàn)了采用填絲或預(yù)置合金粉未、復(fù)合熱源和雙焦點(diǎn)技術(shù)來(lái)減少氣孔產(chǎn)生的工藝，有不錯(cuò)的效果。
3) 氫氣孔。鋁合金在有氫的環(huán)境中熔化后，其內(nèi)部的含氫量可達(dá)到0.69ml/100g以上。但凝固以后，其平衡狀 態(tài)下的溶氫能力**多只有0.036ml/100g，兩者相差近20倍。因此，在由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，液態(tài)鋁中多余的氫氣必定要析出。如果析出的氫不能順利上浮逸出，就會(huì)聚集成氣泡殘留在固態(tài)鋁合金成為氣孔。
4鋁合金裂紋問(wèn)題
存在問(wèn)題：鋁合金屬于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固下更容易產(chǎn)生熱裂紋，焊縫金屬結(jié)晶時(shí)在柱狀晶 邊界形成AL-Si或Mg-Si等低熔點(diǎn)共晶是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。
解決方法：可以采用填絲或預(yù)置合金粉未等方法進(jìn)行激光焊接。通過(guò)調(diào)整激光波形，控制熱輸入也可以減少結(jié)晶裂紋。
總之，鋁合金激光焊接需要先了解材料本身的化學(xué)及物理特性，結(jié)合相關(guān)的技術(shù)要領(lǐng)，才能盡可能避免焊接時(shí)對(duì)工件材料的fu面影響。鋁合金焊接技術(shù)作為鋁合金在工業(yè)領(lǐng)域中擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，激光焊、激光--電弧復(fù)合焊、雙光束激光焊等技術(shù)都是近年發(fā)展起來(lái)的鋁合金焊接工藝，隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，未來(lái)鋁合金焊接的技術(shù)難點(diǎn)將會(huì)得到突破，鋁合金的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。
