当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

铝合金激光焊接技术的发展现状




", 卷 第 0 期 %##, 年 0 月

UG:MEFCM V:GPC67 @DM=C6:

T5G.", 35.0 1:NE.%##,

焊接精萃——激光焊接技术

铝合金激光焊接技术的发展现状
宋东风, 胡绳荪, 马 力
天津

"###$%& !天津大学 材料科学与工程学院,
介绍了近年发展起来的基于激光热源的铝合金焊接技术。 它主要包括 ’ 种方法: 激光焊、 电弧 摘要: 强化激光焊、 双束激光焊、 顺序电弧激光焊、 激光辅助焊接, 讨论了每种方法的特点和作用机理。 铝合金; 焊接; 激光; 机理 关键词: 中图分类号: ()*)*; (+,’-.$

文献标识码: /

文章编号: *##*)%"#"!%##,&#0)###*)#"

!"#"$%&’"() %* $+,"-./+,"0 1"$02(3 %* +$4’2(4’ +$$%5
123+ 456789:67, ;< 1=:678>?6, @A BC !@DE:FCDG H6>ECE?E:, (CD6IC6 <6CJ:F>CEK, (CD6IC6 "###$%, /=C6D& AL>EFDME : H6 E=C> NDN:F, E=: 6:O P:J:G5N:P O:GPC67 E:M=6CQ?: 59 DG?RC6?R DGG5K ?>C67 GD>:F8LD>:P >5?FM:> C> C6EF5P?M:P.HE C6MG?P:>
9CJ: RDC6 R:E=5P>: GD>:F O:GPC67 , DFM D?7R:6E:P GD>:F O:GPC67 , P5?LG: GD>:F O:GPC67 , GD>:F O:GPC67 C6 M5RLC6DEC56 OCE= DFM D6P GD>:F D>>C>E O:GPC67.(=: M=DFDME:FC>ECM> D6P R:M=D6CMDG NFC6MCNG: 59 :J:FK R:E=5P DF: PC>M?>>:P. S:K O5FP>: DG?RC6?R DGG5K ; O:GPC67 ; GD>:F; R:M=D6CMDG NFC6MCNG:

序言
铝合金具有质量轻、 比强度高、 无磁性、 耐锈蚀、 热稳定性好、 易成形、 再生性好和结构简单等优点, 在各种焊接结构和产品中具有很好的应用前景。 由于铝合金的化学活泼性很强, 表面极易形成 氧化膜, 且具有难熔性质, 加之铝合金导热性强, 焊 接时容易造成不熔合现象; 同时, 氧化膜可以吸收 较多的水分, 从而导致焊缝气孔的形成; 此外, 铝合 金的线膨胀系数大, 导热导电性强, 焊接时容易产 生咬边、 翘曲变形等缺陷, 并且焊后接头力学性 能 下降。 因此, 提高铝合金的焊接技术, 研究、 开发新 的铝合金焊接方法, 成为决定铝合金在诸多领域应 用的关键技术之一。 激光焊接具有 与传统的 (H+ 焊、 @H+ 焊相比, 焊接质量高、 精度高、 速度快的特点, 被誉为 %* 世 纪最有希望的焊接方法, 也是当前发展最快、 研究 最多的方法之一。 近年来, 焊接工作者们研究探讨了 多种应用激光热源进行铝合金焊接的新方法。

6

铝合金的激光焊
收稿日期: %##,)#W)#’ 作者简介: 宋东风 !*0W* — & , 男, 河北河间人, 在读硕士, 主要
从事焊接控制及其自动化的研究工作。

近几年, 固体激光焊机的功率不断增加, 商业 功率为 %’ YV 的 /2% 用 3P)XA+ 焊机已经达到 , YV。 激光器可以 *R!RC6 的速度焊 %WRR 板, *# YV 的可以 相同速度焊 *’ RR 板。 随着大功率、 高性能激光焊机 的不断出现, 铝合金的激光焊接技术也得到了很大 的发展, 成为最有前景的铝合金焊接方法Z*[。 激光焊接铝合金的优点是: 热输 +7 能量密度高, 入量小, 焊接变形小, 能得到窄的熔化区和热影响 区以及熔深大的焊缝。 焊缝组织微细, /7 冷却速度快, 故焊接接头性能良好。 功能多、 适应性强、 87 焊接速度快、 可靠性高, 且不需要真空装置。 然而, 由于铝合金的特殊性质, 该焊接方法也 存在着很多问题。 主要表现在: +7 铝合金对激光有极 高的表面初始反射率 ! 对 /2% 激 光 超 过 0#\ , 对波 长 *.#- ! R 的 XA+ 激光接近 W#\& , 造成激光在母 材未熔化时吸收很差, 效率很低。 /7 激光焊接焊缝冷 却快, 熔池存在时间很短, 气体不易析出, 易产生气 孔; 脉冲激光突发功率大, 强大 87 由于熔池深而窄, 的蒸气通过很窄的液体产生很大的飞溅; 07 焊缝太窄 使跟踪、 对中很困难, 对接头准备、 焊接位置及焊接 厚度等要求较严格; 容易产生低 "7 焊缝金属结晶时, 熔点共晶, 从而形成结晶裂纹; *7 激光焊接可以烧损 铝合金中的 @7、 破坏合金强 ]6 等低熔点合金元素,
!"#$%&’$ (#")’*+ ,-$.’*#
?

焊 接 精 萃 — — 激 光 焊 接 技 术

*

?

激光焊接技术

第 (1 卷

化作用, 严重降低焊缝强度。

!

铝合金的电弧强化激光焊

焊 接 精 萃 — — 激 光 焊 接 技 术

为解决铝合金激光焊接存在的上述问题, !" 世纪 #" 年代末, 伦敦帝国大学对电弧加强激光焊接 进行了研究, 并且首次提出了电弧强化激光焊的概 念$!%。 此后, 国内外很多的大学和科研机构对该方法 进行了大量的研究和改进。 目前, 德国、 日本和英国 等发达国家对该方法的研究已经较为成熟, 并已广 泛应用于汽车制造等行业。 天津大 国内对该方法的研究起步较晚。 &’’( 年, $(% 学对激光复合 )*+ 旁轴热源 的机理进行了研究,如 图 & 所示 - 。 研究表明, 激光和电弧并不是简单的叠 加, 而是相互作用。 一方面, 在焊接过程中, 电弧稀释 了激光等离子体, 从而大大降低了其对激光的吸收、 散射、 反射等削弱作用; 同时, 通过电弧对工件的预 热, 大大降低了工件对激光的反射作用; 另一方面, 激光有很强的电弧控制作用, 增加了电弧的稳定性, 有利于高速焊接。 此外, 该研究还表明, 高速焊接条 件下, 焊缝熔深比单独激光焊的熔深有很大的提高, 约增加了 !./ 倍。

图!

同轴电弧激光强化激光焊

电弧对工件的预热作用, 提高了激光的有效利用率; 再与电弧热输入叠加, 有利于增加熔深, 实现高速焊 熔池宽度增加, 提高了坡口间隙 接。 $# 由于电弧作用, 的允许公差, 使得焊缝跟踪更加容易。 %# 激光产生的 等离子体对电弧的吸引和压缩可稳定焊接电弧, 从 而使焊接过程更稳定。 &# 电弧的增强提高了工件对 激光的有效吸收, 加之电弧热输入的摄取, 可以大幅 度降低激光器的功率输出, 从而节约成本。



铝合金的双束激光焊

采用单独激光焊接铝合金时, 由于钥孔塌陷会 产生小孔、 飞溅, 这是激光焊接铝合金时最常见的 焊接缺陷。 针对这一问题, 人们研制开发了双束激 焊接时可以采用高能量脉冲激 光焊$#%,如图 ( 所示- , 光6低能量连续激光, 也可以将一束激光分成功率不 同的前后两束。

图&

旁轴电弧强化激光焊

哈尔滨工业大学对激光复合 0*+ 同轴 &’’/ 年, 结果表明, 与旁轴热源相 热源$1%进行了研究,见图 !-。 比, 该热源更大程度地降低了激光的被削弱程度; 同 时, 还克服了旁轴热源加热作用非对称性、 作用点 分离以及设备体积大、 要求高等缺点$/%。 兰州 !""( 年, 理 工 大 学 通 过 23+ 激 光 与 脉 冲 0*+ 复 合 实 验 发 现, 焊缝熔深与激光焊相比增加 1 倍, 与脉冲 0*+ 焊接相比增加 4 倍以上, 焊速显著提高。 国内外对 )*+ 、 等离子强化激光焊接热源 0*+、 的研究表明, 采用电弧强化激光焊接铝合金有以下 特点$5%: "# 由于电弧对激光等离子体的稀释作用以及
?

图(

双束激光焊

研究表明, 采用双束激光焊接铝合金的优点及 第一束激光用于形成熔池并对附近的区 机理是: "# 域进行预热; 当第二束激光照射该处时, 由于前面 能量的积累, 就可以熔化更多的母材, 从而形成较 宽的熔池, 使激烈发生的金属蒸气可以有较宽的通 道析出, 从而减少飞溅。 $# 由于第二束激光增加了熔

!

?

!"#$%&’$ (#")’*+ ,-$.’*#

激光焊接技术

宋东风等: 铝合金激光焊接技术的发展现状

第"期

池的宽度和存在时间, 使蒸发的气体有较长时间溢 出, 并且可以把第一束激光形成的钥孔后壁气化, 避 免了钥孔的塌陷, 所以很大程度上降低了气孔形成 由于第二束激光直 的几率。 !" 双束激光焊接铝合金, 接照射熔池, 改善工件对激光能量的吸收与利用, 在 加大焊接熔深、 提高焊接能力的同时, 降低了激光 器的功率输出, 从而节约焊接成本。

的分子相互碰撞, 可以产生微弱的气体电离, 产生 7.< 为电弧提供导电通道。 =激光激发等离子弧>, 目前, 该技术的研究还处于起步阶段, 无法解 决铝合金焊接中存在的气孔、 裂纹等缺陷问题, 它在 铝合金焊接领域的应用还有待于进一步研究。 4554 年, /?@*%A 等人对 激 光 辅 助 摩 擦 搅 拌 焊 接方法进行了初步研究。 在该方法中, 激光能的主 要作用是对旋转工具前方的工件进行局部预热, 从 而使工件产生塑化现象。 由于激光的高温作用使 位于旋转工具前方的工件软化, 所以可以减小夹具对 工件的夹持力和焊接变形; 此外, 由于激光热能的 预热作用, 在实现高速焊接的同时降低了对旋转工 具的磨耗。 实验证明, 采用该技术进行 铝 镁合金焊 接, 可以获得无缺陷=’BCBDEFCGBB>的微细结构。 该方法设备复杂、 昂贵, 对焊接条件要求较高, 要在工业应用中推广, 还有待于进一步的研究与改进。

#

铝合金的顺序电弧激光焊接
!""# 年, $%&’( )*+%&,* 等人利用 -./ 焊接热

源代替双束激光焊中的第一束激光, 从而实现了采 用顺序电弧激光焊接铝合金012。 焊接过程中电弧和激 光的相对位置如图 3 所示。 -./ 电弧在前用于形成 熔池, 激光束在后直接对熔池进行作用。

(

结论
激光焊、 电弧强化激光焊、 双束激光焊、 顺序电

弧激光焊、 激光辅助焊接都是新发展的激光焊接技 术, 对其研究在很大程度上解决了铝合金焊接中存 在的诸多问题。 随着新技术的不断成熟, 必定为铝合
图3 电弧激光顺序焊接

金在各领域的广泛应用提供更坚实的技术保障。

该焊接方法是以双束激光焊为基础的, 所以具 备了双束激光焊的一些特点。 同时, -./ 电弧的引 入降低了对工件坡口精度的要求, 并为激光热源提 供更宽的熔池。 实验证明, 该方法的作用和机理是0"2: 提高了铝 $" 电弧熔化金属使激光直接对熔池作用, 合金母材对激光能量的有效吸收率, 有利于增加熔 深, 提高焊速。 顺序 %" -./ 电弧形成了较宽的熔池, 焊接减缓了熔池的冷却速度, 所有这些都有利于金 属蒸气从熔池中溢出,抑制了气孔和飞溅的产生。 !" -./ 焊的阴极雾化作用在激光焊之前清理了铝合 金表面的氧化膜, 这使得激光焊接能得到更好的焊 缝成形。 通过化学冶 &" 恰当选择 -./ 焊的焊丝成分, 金作用可以弥补铝合金中合金元素烧损带来的强度 降低, 改善焊接接头的力学性能。

参考文献H
0!2
刘继常, 李力钧 ?激光复合焊接的探讨 0I2?焊接技术, 4554 ,

焊 接 精 萃 — — 激 光 焊 接 技 术



铝合金的激光辅助焊接

455! 年, 6789./:) ; 8 等人研究了低能激光 辅助电弧焊接方法0!52。 该方法的主要焊接热源是 )./
电弧, 激光进行引弧、 引导和压缩电弧。 激光的引弧、 控制电弧的机理是: )./ 焊的部分保护气体分子会 吸收特定波长的低能激光, 使自身能量升高。 高能量

J!=3>: KL1? 042 $EBBA M - , NO** -?6PQ+BAEB’ 7(RBG MBS’&AQ0I2?-BE(S ;*AREGPDE&*A, !"#" , !!=#>: JJ4LJJJ? 胡绳荪, 张绍斌, 赵家瑞 电弧强化激光焊 ? 0I2?焊接学报, !""J, 0J2 !3=J>: !T"L!KJ? 032 M(S’PD, 9 <, 8&CC&A I?<S(R+( (GD (PQ+BAEB’ S(RBG UBS’&AQ0I2? !""3 , K4=3>: !#4L!#3? MBS’&AQ (A’ -BE(S V(OG&D(E&*A, 陈彦斌, 徐庆鸿, 苏彦东 激光—同轴电弧复合 焊接电源 0T2 ? 焊接 0I2? 焊接学报, !""T , !K=3>: 4J"L43J? 中田一博, 牛尾诚夫 ? 激光与脉冲 -./ 复合焊接 0K2 樊 丁, 试验研究 0I2? 应用激光, 4554 , 44=4>: !K"L!#!? 0#2 W%(* :, M%&EB X 9?;PGGBAE &RRPB (A’ YG*OSB+R &A S(RBG UBS’&AQ *C (PE*+*E&ZB (SP+&AP+ (SS*[R0I2?.AEBGA(E&*A(S -(EBG&(SR 9BZ&BUR, !""" , 33=K>: 4J1? 012 $%&’( )*+*%&,*?;\4 S(RBG UBS’&AQ *C (SP+&AP+ (SS*[R=!> — UBS’&AQ *C (SP+&AP+ (SS*[ PR&AQ ;\4 S(RBG OB(+ &A D*+O&A(E&*A !""#, 3J=T>: JKL3!? U&E% -./ (GD0I2?MBS’&AQ 9BRB(GD% 6OG*(’, 单 平, 胡绳荪?激光—电弧复合热源 0I2?电焊机, 0"2 郭院波, 455J, JJ=K>: !L3? 0!52 6SOG&Q%E ; 8, 8(RE+(A I?7*U Y*UBG S(RBG (RR&RE (GD UBS’&AQ0I2? 455! , 15=3>: TTLT1? MBS’&AQ I*PGA(S, !"#$%&’$ (#")’*+ ,-$.’*#
?

J

?


相关文章:
铝合金激光焊接技术
激光技术已经成为了未来铝合金焊接技术的主要发展方向, 因为激光焊接具有其独特的...2.焊接速度 在其他工艺参数不变的情况下,熔深随焊速的增加而减小,焊接效率随...
铝合金激光焊接技术进展
1 铝合金激光焊 随着大功率、高性能激光加工设备的不断开发,铝合金激光焊接技术发展很快,是未来焊接铝合金 的主要发展方向之一。目前,铝合金激光焊接已经被使用...
激光焊接技术的研究现状与展望
本文概述了激光焊接的发展现状, 简 单介绍了采用激光技术进行焊接的基本原理及其...( 如铝合金与铜合金等 ) 具有较好的焊接效果 , 特别是 Nd: YAG 激光器可以...
激光焊接技术的应用及发展
国内外激光焊接技术的研究现状、激光焊接技术的应用、激 光焊接技术的发展等方面...水下激光 焊接、宽板激光拼焊、填丝激光焊、铝合金激光焊、激光切割质量控制等...
铝合金激光焊
铝合金激光焊接技术的发展现状 [J]. 电焊机 , 2004, 34(09):1-3. 3 祁俊峰. 全铝结构船长甲板的 CO_2 激光焊接技术研究[D]. 北京工业大学, 2008. 4...
轨道交通上的铝合金激光焊接技术研究
轨道交通上的铝合金激光焊接技术研究 地铁车辆主要使用铝合金和不锈钢两种材质。因...周期成本低等优点,而且维修费低、节能,满足了再制造、再使用等可 持续发展的...
铝合金激光一电弧复合焊接研究现状与进展
种类电弧复合焊接铝合金的工艺特征, 着重阐明了激光-电弧复合焊接机理的研究现状...随着工艺 和机理的进一步研究, 加之复合焊接系统的集成化和智能化发展, 激光-...
铝合金焊接方法总结
1、铝合金激光焊 随着大功率、高性能激光加工设备的不断开发,铝合金激光焊接技术发展很快,与传统的 TIG、MIG焊相比,激光焊接铝合金具有以下优点; (1)能量密度...
铝合金焊接技术 毕业论文
铝合金焊接技术的研究现状发展 学生姓名: 刘晓东学系专班院: 工程技术分部别...铝合金的 FSW 焊 搅拌摩擦焊技术 (FSW) 是自激光焊接技术以后的又一项革命性...
对激光焊接工艺的简要探讨
后来,随着激光 焊接技术应用范围的扩大, 为减小在厚板焊接,特别是铝合金焊接时...激光焊接工艺的现状分析... 8人阅读 36页 免费 激光焊接工艺参数对接头... ...
更多相关标签:
铝合金激光焊接 | 铝合金激光焊接机 | 铸造铝合金激光焊接 | 铝合金激光焊接技术 | 铝合金激光焊接工艺 | 铝合金发展现状 | 激光焊接技术发展 | 激光焊接发展前景 |