铝合金的激光焊接

1998年4月

激　　光　　技　　术

LASERTECHNOLOGY

Vol.22,No.2April,1998

铝合金的激光焊接

骆　红　胡伦骥　黄树槐　刘建华　胡席远

(华中理工大学材料科学与工程系,武汉,430074)

摘要:综述了铝合金激光焊接中存在的诸如小孔的诱导和稳定,焊缝与母材的等强性、气孔等问题,指出了几种解决上述难题以获得良好焊接质量的方法。

关键词:铝合金　激光焊接

LaserweldingofaluminumalloysLuoHong,HuLunji,HuangShuhuai,LiuJianghua,HuXiyuan

(DepartmentofMaterialsScience&Engineering,HUST,Wuhan,430074)

Abstract:Thealuminumalloyisawideusedmaterials,especiallyinindustrialproducts.Butinlaserwelding,themanyproblemexist,suchasinducingandstabilizingofkeyholes,equivalentstrengthbe2tweenbaseandweldingseam,porosityetal.Basedontheanalysisontheseproblems,thispaperpointsoutthesolutionstoovercometheseproblems.Thegasflowofgasshieldweldingshouldholdthesituationoflevelflowatthepressureof58.6Pa～78.0Pa,andthetechniqueofwirefilletweldingshouldbeem2ployed.

Keywords:aluminumalloys　laserwelding

引　　　言

铝合金重量轻、韧性好,有一定强度,在工业生产特别是在汽车和航天工业一些复杂结构

中的应用日益广泛。铝是较为活泼的金属,铝及其合金导热性很高,表面极易形成难熔性质的氧化膜,使用普通的焊接方法在焊缝中容易形成未熔合、夹杂、气孔、结晶裂纹等缺陷。与钨极氩弧焊或熔化极氩弧焊相比,激光焊铝的速度快、焊缝窄、热应变小,搭接接缝减少,可大大降低重量。因此,很多科学工作者开始探讨对铝合金进行激光焊接的可能性。

一、激光焊铝合金的焊接性研究

铝合金激光焊接中存在的问题主要有:11“小孔”的诱导和稳定

在激光焊接过程中小孔的出现可大大提高材料对激光的吸收率,焊件可获得更多的能量耦合,这是获得良好焊接质量的前提条件。

在铝合金的激光焊接中首要的问题是“小孔”的诱导和维持稳定的困难,这是由于铝合金的材料特性和激光束的光学特性造成的。

μm,因此激光束中能量是由E=hc/λCO2激光波长为1016≈0.1eV的光子携带的,光子的能量很低,使激光束易受外界因素的偏析。而固态情况下铝合金内部自由电子的密度很高,

易与光束中的光子作用而将能量反射掉,这就使得铝合金成为对激光的反射率最高的金属之

第22卷　第2期骆　红　铝合金的激光焊接9　5

一。另一方面铝的导热性能好,被吸收的能量容易散失。因此,要想诱导出小孔就需要更高的能量密度阈值。

在不同铝合金的激光焊接中都发现存在一个激光能量密度阈值,低于此值,熔深很浅,而一旦达到或超过此值,熔深会大幅度提高[1]。

文献[2]指出,当工件上激光功率密度达到3.5×106W/cm2(对应于激光功率P=3.8kW)时,等离子体才会产生,这标志着深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值,工件仅发生表面熔化,也即焊接以热传导型进行。而在过渡区(P=3.3kW～3.8kW),深熔焊和传热焊交替进行,导致熔深波动很大。

(1)经研究表明,功率密度阈值与焊接速度关系不大[1]。焊速从3m/min到7m/min变化中,所需功率密度阈值无明显变化。因此降低焊速对诱导小孔产生无甚效果,反而会带来副作用,如合金元素烧损严重而引起接头强度下降。

(2)阈值与合金的平均热导率关系存在不相一致的现象[1]。研究表明,Al2Mg合金热导率低,其相应的阈值也低。Al2Mg2Si21的热导率大于Al2Zn合金,其阈值也高于Al2Zn合金的阈值。同样Al2Mg2Si21的热导率大于Al2Mg2Si22,其阈值也相应地高些。但Al2Zn合金的热导率比I1P1Al(工业纯铝)和Al2Mg2Si22的热导率大,其阈值却低不少。这就说明小孔的产生与铝合金的热导率有一定的关系,但不是决定因素。

(3)诱导小孔所需阈值的高低主要和铝合金中某些合金元素(如Mg,Zn等)含量成反比。如图1所示。合金元素含量越高,其阈值越低,这是因为:a.合金元素Mg,Zn的沸点大大低于铝的沸点。例如Mg的沸点为1090℃,Zn的沸点低于1000℃,而Al的沸点则为2467℃。合金元素的大量蒸发产生的蒸气压有利于小孔的产生。b.有些合金元素如Li的加入使得铝合金易焊[3],如Al2Li合金6061比其它铝合金要好焊些。一方面由于锂的沸点低,易于大量蒸发,另一方面Li原子重量轻,运动速度更快,导致其等离子体蒸气

Fig.1　Thresholdintensityvs.Mg&Zn

contents

压提高,更有利于小孔的产生。

(4)有研究表明[4],在相同条件下,在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,并作了如下分析:a.N2和Al之间可发生放热反应。b.由上述反应而生成的Al2N2O三元化合物,对激光能量的吸收率要高些。c.在高能密度激光作

用下,He,N2可能电离,由于He质量低,运动速度快,易与等离子体中的电子复合,而起到“冷却”等离子体的作用,使等离子体难以维持。

综上所述,由于铝合金材料自身性质的影响,加上激光的光学特性,使获得小孔所需能量密度更高,而能量密度阈值的高低本质上主要受其合金成分的控制。另外还受到保护气体种类的影响。

另一方面,尽管Al合金中的合金元如Mg,Zn,Li由于其沸点低,易于蒸发,蒸气压大,对诱导小孔的产生起到促进作用,但是由于其电离能低,如:EFe=7.83eV,EAl=5.96eV,EMg=7.61eV,ELi=6.94eV,因此,铝合金激光焊时,金属蒸气就易于电离,使等离子体中的电子密度大大提高,而如前所述,激光能量的载体光子能量小,易与电子相互作用,导致等离子体本身

96　激　　光　　技　　术1998年4月

吸收过多的激光能量,也即等离子体“过热”,使小孔不能维持连续地存在。可见,正是由于铝合金的材料特性和激光束的光学特性,使得小孔的诱导和稳定性成为铝合金激光焊接的特有困难。

21焊缝的机械性能

铝合金的强化机制一般有合金元素的固溶强化和时效沉淀强化两种。无论是固溶还是沉淀强化,由于合金元素Mg在激光焊接过程中的大量蒸发,必然导致焊缝硬度和强度的下降。另外,在焊接的熔化过程中,强化组织遭到完

全的破坏,而变成了铸态结构,这也会使其硬度、强度下降[5]。如图2所示。

另外,由于焊缝中气孔的存在,也会降低焊缝的抗拉强Fig.2　Hardnesstraverseof

laserweld度。总之,铝合金激光焊接焊缝强度下降难以与母材匹配,

即焊缝与母材的等强性问题是铝合金激光焊缝中存在的又一个难题。

31气孔

Al5456

在铝合金的激光焊接过程中存在两类气孔:氢气孔和由于小孔的破灭而产生的气孔。(1)氢气孔　铝合金表面的氧化膜容易吸附环境中的湿气,而氢在液态铝中的溶解度约为其在固态铝中溶解度的20倍。当焊接过程中熔化冷却时,氢就析出,在向上逸出过程中会形成氢气,激光焊接的冷却速度比常规的焊接方法快得多,因此氢气来不及逸出而形成气孔的可能性大大增加。这类气孔一般形状规则,尺寸大于树枝晶尺寸,在其内表面可见有树枝晶结晶凝固花样[6]。

(2)由于主要是由于小孔中的动力学因素,如果表面张力大于“小孔”塌陷而形成的孔洞　蒸气压力,小孔将不能维持稳定而塌陷,液态金属来不及填充就造成孔洞,形态一般不规则。总之,由于激光焊接的冷却速度太快,使得氢气孔问题更加严重,而且在激光焊接中还多了一类由于小孔的塌陷而产生的孔洞。

41焊缝组织和成分的变化

熔合区的显微组织比母材要细小得多,这主要是因为激光束是高能密源,熔融金属温度上升很高,与母材间的温度梯度很大导致冷却速度很快,从而使焊缝的微观组织很细小。　　Table　Experimentallyobatined　　焊缝合金元素含量在激光焊接过程中也会发生相应变

composition,wt%

化。其中Mg元素含量下降,如附表所示[5]。

basemefalweldconter

文献认为Mg和Al的沸点分别是1090℃和2467℃,相Al94.1595.07

Mg5.304.40差1377℃,而Mn和Cr的熔点分别是1244℃和1857℃,它们的沸点分别是1962℃和2672℃。因此,当Mg达到其沸点

时,其它合金元素甚至还未熔化。因此Mg在焊接过程中烧

损严重,焊速越慢,烧损越严重。铝的重量百分比的增加是由于Mg含量的减少。而Mn,Cr的含量百分比的增加一方面是由于Mg的减少,另一方面是由于溶质在凝固过程中的偏析。

Cr

0.10

0.13

Mn

0.45

0.55

二、铝合金激光焊接工艺

为了实现激光对铝合金的焊接,解决上述存在的问题,目前工艺上主要从以下几个方面加

以解决。

第22卷　第2期骆　红　铝合金的激光焊接9　7

11气体保护装置

激光难以对铝进行焊接,一方面是由于材料和光束的光学特性,使得“小孔”很难被诱导出来;另一方面是由于等离子体产生后易过热而使小孔不能稳定连续存在。必须诱导出小孔同时对等离子体加以适当的抑制,这主要受到保护气体流动状态的影响。保护气体的流动应维持在层流状态。

铝合金激光焊接中另一个主要问题是Mg的蒸发。研究[7]认为对Mg损失影响最大的因素是气体从喷嘴喷出时的压力,其它因素如:激光功率,焊接速度及喷嘴角度也有一定的影响。

为了诱导并维持小孔,减少Mg的损失,主要取决于保护装置几何形状、喷嘴直径、气体的压力和流动速率。故特设计了一专用保护装置[7]。通过计算,使用这种保护装置,当主喷嘴阀门上气压超过2115kPa时,气体流动雷诺数>2000,气体流动会从层流变为湍流。一般控制主喷嘴阀门处压力小于2115kPa,而且气体从主喷嘴喷出时压力维持在5816Pa和7810Pa之间。使用上述装置,对工艺参数优化后进行焊接,可获得较满意焊缝,焊接过程稳定,Mg的损失也很小。

21接头设计

一般认为工件对激光吸收率的提高是由于小孔的形成,而焊接接头形状如造成较陡的V型坡口可看作是一个人工“小孔”,从而有利于对激光功率的吸收。实验表明,同样功率条件下,30°角V型坡口焊缝熔深较堆焊和对接接头有明显提高[8]。

31填丝

这种方法[2]在焊接过程中以适当速度送丝。丝和喷嘴同轴安置,与光轴角度35°。首先,填丝可改善对激光的吸收情况,使得整个焊接过程稳定,可以避免深熔焊和传热焊交替出现的现象,获得均匀的焊缝。而且在激光焊接过程中,由于填丝材料抑制了细长突出枝晶的生长,晶体组织得到细化,可避免热裂纹的形成。另外,填丝激光焊接铝合金时焊缝硬度也有所提高[2]。

41其它工艺方法

最近又提出一种超声振动激光焊接铝合金[9]。这种

Fig.3　Influenceoffillermaterialon方法将工件置于一以10kHz共振频率振动的压电传感器

cracksusceptibility

上。据研究,这种方法可获得更大的熔深,而且可较大程度

地抑制焊缝中的周边和纵向裂纹。当熔深小于1mm时还可大大降低气孔数目。

其它还有用脉冲Nd∶YAG激光器或将连续CO2激光调制成脉冲形式对铝合金进行激光焊接的探讨。

参

考

文

献

1　SakamotoH,ShibataK,DausingerF.Laserweldingofdifferentaluminumalloys.ProcSPIEV.1990:ICALEO’92,Laser

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3　MolianPA,SrivatsanTS.Laserweldingofhighmodulus,lowdensityAl2Lialloys.Proceedingsofthe7thInternationalCongressonAppli2cationsofLasersandElectrooptics,ICALEO’88,LaserMaterialsProcessing,SantaClara,CA,USA,1988,BerlinHeidelbergNewYorkLon2denParisTokyoHongkong,Springer2VerlagIFS(Publication)Ltd.UK,1989:238～248

第22卷　第2期

1998年4月

激　　光　　技　　术

LASERTECHNOLOGY

Vol.22,No.2April,1998

深孔激光加工研究

李又生

(华中理工大学激光技术与工程研究院,武汉,430074)

摘要:研究了深孔形成的物理过程,提出了一种新型的深孔加工的激光脉冲波形,用光锥方程和能量平衡关系式推导出孔深、孔径及有关激光参数,与实验结果基本相符。

关键词:激光打孔　峰值功率　脉冲形状

Studyonlaserdeep2holedrillingLiYousheng(InstituteofLaserTechnology&Engineering,HUST,Wuhan,430074)

Abstract:Nowthelaserdrillingisausefultechniqueinindustryproducts.Averyimportantprob2lemishowtoobtainthehighqualitydeep2holedrilling.Startingfromtheselectionoflaserparametersandtheinstantaneousenergybalanceinthegasificationandmeltingprocess,theengineeringdesignofdeep2holedrillingwaspresented,inthispaper,andpointedtheselectionofratioofdepthanddiameter,thedesignofthelaserpulseshape.Thecalculationresultsareclosetotheexperimentaldata.

Keywords:laserdrilling　peakpower　pulseshape

引　　　言

通过把激光束聚焦在金属上使其气化,可进行打孔加工。激光几乎可对所有材料打孔,而

要得到精度一致的加工孔是不容易的,因为激光参数、材料性质等因素稍有变化均将影响打孔的质量。而难度最大的还是深孔的激光加工。所谓深孔即深径比很大的孔。目前尚未看到有关深孔的确切定义,我们认为深度比直径大数倍以上的孔,即可认为是深孔。深孔的形成是由加热、气化、熔化和孔壁的破坏等许多因素决定的,涉及到蒸汽的凝聚、飞溅物流束与孔壁之　　　　4　KlansB,EckhardB,RolfS.Laserweldingofaluminum.同3:249～258

5　MoonDW,MetzBowerEA.WeldingJournal,1983;62(2):53S～58S6　CalderN,WhitakerI,MecartneyDetal.Laserweldingofaluminumlithiumalloy8090.同1:565～5737　BlakeA,MazumderJ.TransactionoftheASMEJournalofEngineeringforIndustry,1985;107(3):275～2818　HuntingtonCA,EagarTW.WeldingJournal,1983;62(4):105S～107S

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作者简介:骆　红,女,1966年12月出生。硕士,讲师。现从事激光焊接质量监控及熔池模拟方面的研究工作。收稿日期:1996205221　　收到修改稿日期:1997203206