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、導電性、導熱性及高強度的特性，是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中得到廣泛應用。

隨著近年來科學技術以及工業經濟的飛速發展，對鋁合金焊接結構件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金焊接技術的發展，同時激光焊接技術的發展又拓展了鋁合金的應用領域，因此鋁合金的焊接技術正成為研究的熱點之一。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特性

鋁合金材料具有高反射性及高導熱性，從微觀電子結構來說，鋁合金具有眾多自由電子，密度非當大，當激光作用于此類電子時會產生強烈的震動而產生次級電磁波，造成強烈的反射波與較弱的透射波，因此，鋁合表表面對激光具有較強的反射率而影響其對激光的吸收率，同時，由于電子的激烈的布朗運動會明顯提高鋁合金材料對熱的傳導。

國內對鋁合金材料的激光焊接己經作了大量的研究，結果也證明了對鋁合金材料的焊接需要在表面進行預處理，如噴砂處理，砂紙處理，表面化學浸蝕，表面鍍，碳黑添加，氧化等均可以達到降低光束反射的作用，有效提高鋁合金工件的對激光束的吸收率，另外，從焊接結構設計方面考慮，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(拼接間隙相當于人工制孔) 方法，都可以增加鋁合金對激光的吸收，獲得較大的熔深，還可以利用合理設計焊接縫隙來增加鋁合金表面對激光能量的吸收。

2小孔效應與等離子體對鋁合金激光焊接的影響

在鋁合金激光焊接過程中，小孔的出現可以大大提高材料對激光的吸收率，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沸點低、易蒸發且蒸汽壓大，雖然這有助于小孔的形成，但等離子體的冷卻作用（等離子體對能量的屏蔽和吸收，減少了激光對母材的能量輸入）使得等離子體本身'過熱'，卻阻礙了小孔維持連續存在，容易產生氣孔等焊接缺陷，從而影響焊接成形和接頭的力學性能，所以小孔的誘導和穩定成為保證激光焊接質量的一個重點。

因為鋁合金的高反射性和高導熱性，要誘導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上受其合金成分的控制，因此可以通過控制工藝參數，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量來獲得穩定的焊接過程。另外，能量密度閾值一定程度上還受到保護氣體種類的影響。例如，激光焊接鋁合金時使用N2氣時可較容易地誘導出小孔,而使用He氣則不能誘導出小孔。這是因為N2和Al之間可發生放熱反應，生成 的Al-N-O 三元化合物提高了對激光吸收率。

3鋁合金焊接產生的氣孔問題

鋁合金的種類有很多，其產生的氣孔各有所不同，但通常都離不同以下幾類氣孔。

1) 保護氣體產生的氣孔。在高能激光焊接鋁合金的過程中，由于熔池底部小孔前沿金屬的強烈蒸發，使保護氣體被卷入熔池形成氣泡，當氣泡來不及逸出而殘留在固態鋁合金中即成為氣孔。

2) 小孔塌陷產生的氣孔。在激光焊接過程中，當表面張力大于蒸氣壓力時，小孔將不能維持穩定而塌陷，金屬來不及填充就形成了孔洞。對減少或避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺陷也有很多實際措施，如調整激光功率波形，減少小孔不穩定塌陷，改變光束焦點高度和傾斜照射，在焊接過程時施加電磁經場作用以及在真空中進行焊接等。近幾年來，又出現了采用填絲或預置合金粉未、復合熱源和雙焦點技術來減少氣孔產生的工藝，有不錯的效果。

3) 氫氣孔。鋁合金在有氫的環境中熔化后，其內部的含氫量可達到0.69ml/100g以上。但凝固以后，其平衡狀 態下的溶氫能力最多只有0.036ml/100g，兩者相差近20倍。因此，在由液態向固態轉變的過程中，液態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，就會聚集成氣泡殘留在固態鋁合金成為氣孔。

4鋁合金裂紋問題

存在問題：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生熱裂紋，焊縫金屬結晶時在柱狀晶 邊界形成AL-Si或Mg-Si等低熔點共晶是導致裂紋產生的原因。

解決方法：可以采用填絲或預置合金粉未等方法進行激光焊接。通過調整激光波形，控制熱輸入也可以減少結晶裂紋。

總之，鋁合金激光焊接需要先了解材料本身的化學及物理特性，結合相關的技術要領，才能盡可能避免焊接時對工件材料的負面影響。鋁合金焊接技術作為鋁合金在工業領域中擴大應用的關鍵技術之一，激光焊、激光--電弧復合焊、雙光束激光焊等技術都是近年發展起來的鋁合金焊接工藝，隨著技術的進步發展，未來鋁合金焊接的技術難點將會得到突破，鋁合金的應用也會越來越廣泛