1、鋁合金應(yīng)用特性
鋁合金因材質(zhì)輕，耐腐蝕，低溫性能和機(jī)械綜合性能好而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)等眾多領(lǐng)域。隨著近年國家對節(jié)能經(jīng)濟(jì)的追求，鋁合金的需要又上了一個(gè)臺階。目前，汽車行業(yè)中適用鋁合金主要有Al-Mg (5000 系列 )、Al-Mg-Si(6000 系列)及Al-Mg-Zn(7000系列) 三大系列，汽車外殼多用耐蝕可焊的5000 系合金，而梁柱等強(qiáng)度要求較高的部位則用 6000 系或 7000 系合金。研究表明，采用鋁合金材料適當(dāng)減輕汽車的重量可以把油耗降低37%；懸掛裝置的負(fù)荷降低18%；振動強(qiáng)度降低5%。在各大汽車廠加大對鋁合金加工研發(fā)與制造投入的同時(shí)，鋁合金的焊接又成為一個(gè)不得不解決好的基礎(chǔ)問題。
2、鋁合金的焊接特性
目前，主要采用TIG焊、MIG焊等常規(guī)方法來焊接鋁合金。采用常規(guī)方法焊接，熱輸入量大導(dǎo)致焊縫寬大且熔深較淺，鋁合金導(dǎo)熱快，冶金時(shí)高溫溶解大量的氫來不及溢出產(chǎn)生氫氣孔(溶入熔池中的氫析出形成的氣孔，稱為冶金氣孔；未完全熔化的氧化膜中的水分因受熱分解析出氫形成的氣孔，稱為氧化膜氣孔)；由于冶金速度快焊縫金屬晶粒粗大，焊接接頭軟化可使強(qiáng)度減少達(dá)到40%；鋁合金熔點(diǎn)低而導(dǎo)熱快，熔融金屬流動性差而使焊縫成型不美觀；受熱面積大，加工材料容易變形而影響加工尺寸精度。鋁合金常規(guī)焊接質(zhì)量難以保障，且焊接速度難以滿足批量生產(chǎn)要求。
圖1 鋁合金焊接時(shí)氧化膜氣孔(左)和冶金氣孔(右)
隨著激光加工應(yīng)用普及化水平的提升，采用激光焊接鋁合金，熱輸入量小且熱源集中，特別是光纖激光器問世后，激光焊接鋁合金的能量密度更加集中，激光波長更短，高反射得到改善。通過激光填絲，激光-MIG復(fù)合焊，雙光斑激光焊等工藝，可明顯改善鋁合金焊接的成型效果，且焊接質(zhì)量得到改善。
無論是何種焊接方法，鋁合金焊接前準(zhǔn)備工作是必不可少的，對鋁合金的焊接質(zhì)量影響很大。焊接前對鋁合金件表面進(jìn)行無水酒精或丙酮擦試，以清除表面所吸附的水或油等雜質(zhì)。為防止工件在空氣中被氧化，需要對工件進(jìn)行機(jī)械打磨或化學(xué)處理并烘干，以盡快完成焊接。為了加快鋁合金焊接時(shí)的熔池流動性，可以在鋁合金工件焊接背面加墊銅板以改善焊縫成型。焊接時(shí)，采用Ar氣保護(hù)，隔絕空氣，能減小氣孔的產(chǎn)生。
3、激光焊鋁合金優(yōu)化質(zhì)量具體措施
鋁合金激光焊接開始時(shí)，存在高反射現(xiàn)象，嚴(yán)重影響材料對激光能量的吸收，而波長越短，材料對光的吸收就越好，因此，光纖激光比CO2激光對鋁合金的吸收要好。光纖激光的光束模式也會比CO2激光好，能量密度更加集中。一旦材料開始吸收光能，對液態(tài)金屬對光的反射率就明顯下降。
采用雙光斑激光焊，能夠明顯改善氣孔率，主要是因?yàn)椴捎秒p光束進(jìn)行焊接時(shí)，兩束光形成一個(gè)相對較大的匙孔，提高了匙孔的穩(wěn)定性，有利于氣體的逸出；相比于串行雙光束，采用并行雙光束焊接時(shí)，熔池內(nèi)部溫度梯度更小，降低了液態(tài)金屬凝固速度，延長氣泡的逸出時(shí)間，有利于減小氣孔傾向；并行雙光束激光焊也能提高送絲的穩(wěn)定性，對穩(wěn)定焊接質(zhì)量有利。
圖3 雙光斑激光獲得的原理圖(左)及能量密度分布圖(右)
圖4 并行雙光束激光焊模型
圖5 串行雙光束激光焊模型