鋁合金激光焊接工藝研究

鋁合金激光焊接工藝研究摘要：作為一種優(yōu)質(zhì)的輕金屬材料，鋁合金一直被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中。然而，隨著時代的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對于產(chǎn)品要求越來越高，傳統(tǒng)的鋁合金焊接工藝逐漸被淘汰。本文旨在介紹一種新型焊接工藝，即激光焊接工藝，通過對當前激光焊接工藝存在的問題進行分析，提出相應(yīng)的解決策略，并闡述鋁合金激光焊接工藝的應(yīng)用前景，以更好地推動鋁合金激光焊接工藝的發(fā)展與完善。關(guān)鍵詞：鋁合金；激光焊接工藝；氣孔問題引言：鋁合金本身由于抗腐蝕性強，導熱導電性好以及耐低溫等諸多優(yōu)勢在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。但同時，鋁合金也存在一定缺陷，即焊接困難。而激光焊接等新興技術(shù)的出現(xiàn)則為該問題的解決提供了新思路。相較于傳統(tǒng)焊接工藝，激光焊接工藝焊接過程自動進行，且熱輸入量小，因而比較符合鋁合金自身屬性。加強對激光焊接工藝的研究，對于滿足各行各業(yè)發(fā)展需求具有重要意義。一、鋁合金激光焊接工藝當前存在的問題1.焊接中的氣孔問題盡管鋁合金激光工藝優(yōu)勢明顯，但在某些應(yīng)用場景下仍存在一定缺陷。譬如在汽車制造行業(yè)中，運用鋁合金激光工藝會不可避免的產(chǎn)生氣孔問題。對于氣孔問題的形成，目前并未形成定論。通常認為，氣孔的出現(xiàn)是由于氫溶解度急劇變化所引起的氫氣孔或者熔池金屬紊流所導致的氣孔。有學者研究表明，氣孔的產(chǎn)生與表層物質(zhì)有關(guān)，尤其是Mg、Li，會導致熔池吸氫增加，同時也會加劇匙孔的不穩(wěn)定性，從而導致氣孔的產(chǎn)生。2.鋁合金激光焊接熱裂紋缺陷鋁合金激光焊接工藝在應(yīng)用的過程中，還容易產(chǎn)生熱裂紋問題。熱裂紋的產(chǎn)生主要是由于環(huán)境高溫所導致鋁合金熔化，當局部熔化超出其本身所能承受范圍便會形成熱裂紋。熱裂紋的種類較多，通常根據(jù)形態(tài)、機理以及溫度區(qū)間不同可以將其分為凝固裂紋，液化裂紋，多變化裂紋以及失塑裂紋等。其中，比較常見的有凝固裂紋（又稱結(jié)晶裂紋）和液化裂紋。導致裂紋產(chǎn)生的原因主要有兩種，一種是鋁合金合金元素種類和數(shù)量，另一種則是焊接速度以及加熱和冷卻速度。在實際操作過程中，為了避免熱裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)綜合權(quán)衡鋁合金元素種類與數(shù)量以及選取適合的工藝進行焊接。3.鋁合金激光焊接熱影響區(qū)軟化問題在激光焊縫快速凝固的過程中，有時會因為產(chǎn)生晶體不均勻而出現(xiàn)軟化區(qū)域，譬如通常情況下快速凝固的產(chǎn)物為等軸晶，但倘若操作過程處理不當則會形成柱狀晶，由是產(chǎn)生軟化問題。當人工時效時長為28.8KS，同時確保溫度為448K下，軟化問題便可以完美解決。一般的鋁合金焊接工藝則在相同條件下無法完全消除軟化問題。得益于先天軟化區(qū)較窄的優(yōu)勢，鋁合金激光工藝通常對熱影響區(qū)軟化影響較小，但仍存在一定軟化現(xiàn)象，因而亟需更加先進的工藝來進行相關(guān)處理。二、針對當前鋁合金激光焊接工藝存在缺陷的解決措施1.解決氣孔問題的有效措施隨著大量實驗的進行，人們逐漸發(fā)掘出了導致氣孔產(chǎn)生的各類因素，流量及保護方法、焊接參數(shù)、保護氣體種類以及材料表面狀態(tài)等等。因此，在工藝前期準備工作中，應(yīng)專門清理好表面物質(zhì)，防止Mg、Li等易導致吸氫物質(zhì)的堆積，以及采取相對來說更加高效的焊接方式，例如提升焊接功率和焊接速度等。這樣做可以有效減少氣孔的產(chǎn)生。此外，保持焊接環(huán)境真空以及調(diào)整激光功率波形等都可以減少小孔現(xiàn)象。但同時，也有科學家指出，小孔并非越少越好，適度的小孔可以提升鋁合金在焊接過程中的穩(wěn)定性，從而提升工藝質(zhì)量。2.鋁合金材料焊接填充焊接速度是鋁合金焊接工藝中較難掌控的一點。焊接速度高有助于降低氣孔的產(chǎn)生，同時也可以提升工藝效率。但與此同時，更快的焊接速度也容易加劇熱裂紋的產(chǎn)生，因而如何在效率與質(zhì)量之間求取平衡是我們應(yīng)重點關(guān)注的問題。當前，有研究學者指出，填充材料的方式可以降低熱裂紋現(xiàn)象發(fā)生的概率。其原理在于填充材料（一般為B、Ta等）在焊接過程中會形成熔點高的金屬化合物，該種物質(zhì)可以有效避免熱裂紋的產(chǎn)生。但與此同時，填充材料成本較高，且會加大工藝難度，因而并非完美的解決方案。此外，也有科學家發(fā)現(xiàn)，調(diào)整焊接金屬成分或者點焊時控制熱輸入等方式也可以抑制結(jié)晶裂，從而減少熱裂紋?？偠灾?，目前對于熱裂紋并沒有完美的解決方案，但對于如何應(yīng)對、減少熱裂紋卻有較多可行措施，對于鋁合金激光焊接工藝的研究有待進一步完善與發(fā)展。3.激光復合焊接工藝激光復合焊接是一種通過高能激光束與電弧共同作用所形成的焊接工藝。與單一激光焊接工藝不同，激光復合焊接工藝焊接速度較快，且本身缺陷較少，能夠有效降低金屬對于激光束的反射率，同時熱影響區(qū)小，熱變形小，因而在解決軟化問題方面具有重要作用。激光復合焊接工藝可以降低鋁合金液體凝固速率，從而促使氣體析出，同時電弧所帶來的熱量輸入也可以避免單一激光焊接工藝下所造成的焊縫硬度較大的問題。除此之外，激光復合焊接還可以被應(yīng)用于自動化領(lǐng)域，如果能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)，則將大大提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。三、鋁合金激光焊接工藝的應(yīng)用1.汽車制造近幾年來，隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車制造業(yè)不斷探尋新材料以提升整體制造質(zhì)量。鋁合金就是其中一種。通過鋁合金激光焊接工藝，可以將汽車車門、頂蓋、側(cè)圍、行李箱蓋等進行替換，能夠有效降低汽車重量，同時激光擺動焊接技術(shù)在完善施工工藝，簡化施工流程，方面也具有重要作用，因而具有廣闊發(fā)展空間。2.航空航天激光焊接工藝在航空航天領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用。航空發(fā)動機中焊接件占據(jù)一半以上，在該過程中，通過鋁合金焊接工藝所形成焊接件不僅質(zhì)量輕、成本低，同時對于發(fā)動機性能也具有重要促進作用，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。除此之外，在機身壁板、主結(jié)構(gòu)件層面鋁合金也具有重要應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)鉚接機身壁板，激光焊接機身壁板重量更輕，更有助于降低制造成本，此外對于連接部位的性能也具有一定改善作用。與此同時，當前鋁合金已成為火箭一種航天器的主要結(jié)構(gòu)材料。通過激光焊接的主結(jié)構(gòu)件更加便于操作，柔性較高且節(jié)能環(huán)保，性能與安全都有所保證。從以上所述來看，得益于質(zhì)量輕、環(huán)保、便于操作等特點，鋁合金在航空航天業(yè)具有廣泛的應(yīng)用場景，同時激光焊接工藝的加入也進一步提高了鋁合金的應(yīng)用比例，因而加強對鋁合金激光焊接工藝的研究與發(fā)展對于促進我國航空航天業(yè)的發(fā)展具有重要意義。3.石油管道鋁合金激光焊接工藝在石油管道方面也具有重要作用。鋁合金石油管道能夠增加管道直徑，提升管壁厚度，因而提升了管道相同時間內(nèi)的輸油量，大大提升了輸油效率。與此同時，鋁合金激光焊接工藝在焊接過程中，不僅成功率高，幾乎可以一次成型，同時成型的鋁合金石油管道的質(zhì)量也有所保障。石油輸送本身屬于危險行為，一旦發(fā)生泄漏便會對周邊環(huán)境造成較大影響，導致環(huán)境污染、人員損失慘重，因而高質(zhì)量的鋁合金石油管道更有助于降低石油輸送風險，提升經(jīng)濟效益。結(jié)束語：鋁合金得益于自身獨特優(yōu)勢，在航空航天、汽車制造以及石油運輸?shù)葘用娑季哂袕V泛應(yīng)用空間。但同時，在工業(yè)生產(chǎn)方面鋁合金工藝并未得到大范圍的普及。這主要與我國激光焊接工藝尚未成熟有關(guān)。因此，行業(yè)研究人員應(yīng)加強對鋁合金激光焊接工藝的研究，致力于完善、改善氣孔、熱裂縫以及軟化等問題，不斷完善發(fā)展激光焊接工藝，以為我國制造業(yè)發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。參考文獻：[1]周英才,高士友,劉迪,寧虹,王步繁.6016鋁合金激光焊接接頭性能[J].塑性工程學報,2021,(07):205-212.[2]周英才.6016鋁合金激光焊接接頭組織性能強化研究[D].導師：高士友.燕山大學,2021.[3]吳雁,肖禮軍,孫士學,唐德高.激光在鋁合金焊接中的應(yīng)用研究進展[J].熱加工工藝,2021,(15):1-5