脉冲激光焊接铝合金模具试验研究

铝合金的激光焊接是近年来最热门的研究项目。不少单位研究了许多激光焊接铝合金的工艺方法。激光焊接是近20年才研发的制造新技术，正在成为通用加工工具，必将取代传统的制造技术，得到了各国政府及企业的高度重视。激光焊接的诸多优点为铝合金焊接提供了条件。激光焊接的最大特点是能把光束聚焦到很小的范围内，并且能很方便的输送到任何需要的地方。

激光焊接的主要优点 

1） 能量密度高，热输入量少，工件热变形量小；

2） 熔化区、热影响区窄，而熔深很大；

3） 焊后自然冷却速度极高，可达106℃/S,从而焊接熔化区组织非常细微，使接头性能良好；

4） 激光焊接不同一般焊接，不需要电极，因而降低了成本；

5） 激光焊接不同于电子束焊接，不需要真空，提高了工作效率。所用保护气体压力，流量可调节；被焊工件形状、大小不受限制；

6） 激光可远距离输送，工艺适应性好；

7） 激光与计算机、机械手等配合，很容易实现焊接过程自动化，大大提高了焊接效率；

8） YAG激光焊接铝合金，激光被吸收的效率高，约为20%。远远超过对CO2激光的吸收率。

激光焊接铝合金的难点

激光焊接由于有上列诸多优点，广泛地应用于各种材料的焊接，而应用于铝合金焊接却遇到了一系列困难，研究者充分注意到了下列激光焊接铝合金的难点：

1）铝熔点低，在光束作用下很容易离子化，焊接时熔池上方等离子体气团较大，焊接时必须予以冲散，否则影响激光吸收效率；

2） 铝合金焊接时，由于熔池内元素不均匀挥发，致使焊接接头软化，强度下降；

3） 铝合金表面存在难熔的氧化膜（Al2O3熔点2060℃），只有大功率密度的激光才能熔化；

4） 铝合金焊接焊缝容易产生气孔，产生气孔的原因有三个：①溶解在熔池中的氢（铝在液态易吸氢）在冷却过程中析出又未溢出溶池，形成气孔，称冶金气孔；②未完全熔化的氧化膜中水分热分解析出氢，它依附于氧化膜而形成气孔，称为氧化膜孔；③深熔焊时匙孔不稳定，留下未填满的孔，称为焊根孔；

5） 铝合金焊缝冷却速度相当快，可达106℃/S，熔池凝固时柱状晶发展极快，极易在柱状晶截面产生裂纹，称为结晶裂纹；由于冷却收缩也会在焊缝附近形成裂纹，称为液化裂纹。一般来说合金元素含量越高则产生裂纹的可能性越大，焊接速度越大则焊缝中裂纹数越多；

6） 铝合金的膨胀系数大，在冷却过程中极易使焊件变形；

7） 铝合金的导热率大，约为钢的4倍，用样的焊接就需要更高的功率密度。

试验方法及工艺选择 

YAG脉冲激光焊接设备 

我公司于2006年由德国罗芬公司引进“SW TOOL OPEN Ⅱ”激光加工机，其主要指标如下：

（1）激光类型： Nd:YAG

（2）激光波长： 1.6um

（3）脉冲宽度： 0.3～20ms

（4）脉冲频率： 1～20Hz

（5）最大脉冲能量： 100J

（6）最大平均功率： 150W

（7）最大峰值脉冲功率： 10kW

（8）光斑直径： 200～1200um

（9）光束发散角： 235mrad

（10）模式： 多模

研究用铝合金材料 

由于2A12铝合金的合金元素含量较高，焊后极易出现裂纹及强度下降。

基于铝合金对激光反射比较强，2A12铝合金表面需要黑化处理，以增加2A12铝合金对激光的吸收。实验先采取表面不处理的2A12铝合金，如果不可以，再采用经过表面黑化处理的2A12铝合金。

保护气体的选择 

根据资料介绍，铝合金激光焊接保护气体最好使用He-Ar混合气体，保护气体流速约为10L/minHe+5L/minAr。

保护气体需要有足够的纯度，尤其要求H2和H2O含量要低。铝在液态极易吸收氢，而在冷却过程中析出，形成气孔；H2O高温下与AL发生反应放出H2，也会形成气孔。

氢是很好的保护气体，但对于铝合金的激光焊接不仅带走的余热少，而且熔池上方的等离子气团严重，因此采用纯氩做保护气体不是十分有利。

尽管如此，考虑到目前条件及焊接成本，本研究还是选择纯氩Ar做保护气体。

YAG脉冲激光工艺参数的选择 

YAG脉冲激光焊接时可供选择的工艺参数有：脉冲能量J、脉冲宽度t、脉冲频率F、光斑直径d。

根据资料介绍，脉冲激光焊接很少采用深熔焊，尽管能够深熔焊，一般采用传导焊，而铝合金传导焊功率密度为105～106W/cm2，也就是说铝合金焊接时功率密度不能选择太高。

我们所选用的YAG脉冲激光焊机，脉冲能量J、脉冲宽度t有下表所列关系，而脉冲能量J又决定了脉冲频率f。

应该选取较大的脉冲能量，因为铝合金热导系数较大，是钢的4倍；铝合金表面又有难熔的氧化膜（Al2O3）；铝合金对激光反射又严重。

铝合金焊缝质量检验 

为了确定铝合金焊缝质量，首先进行外观检验，例如：

① 焊缝成形是否良好？是否有飞溅？焊缝是否连接？是否有裂纹？必要时应留有外观相片；

② 焊缝横断面组织状况，熔区形状、气孔、裂纹、组织等，必要时留取显微组织相片；

③ 焊缝形状有关尺寸，焊缝熔深，焊缝宽度，半深宽度等。

铝合金焊缝性能检测 

为了求证铝合金焊接是否存在成分不均匀挥发，需用电子探针对焊接前后的铝合金材料各元素含量进行全分析，主要测Cu、Mg含量。

为了求证铝合金经焊接会软化，从而强度下降，需要做抗拉强度ob的测定。

试验结果

在焊道横剖面上测得的熔深与脉冲能量关系结果示于图1，从图1中得出该设备焊接2A12铝合金最大熔深可达0.33mm。试验所焊接2A12铝合金焊道结晶裂纹严重、气孔较多，如图2所示。