高強(qiáng)鋁合金型接頭激光焊接工藝研究

鋁合金在機(jī)械工程行業(yè)以其良好的物理性質(zhì)和機(jī)械性能而聞名。其中，高強(qiáng)度t型婚姻越來(lái)越被廣泛應(yīng)用于空中客運(yùn)、高速列車和現(xiàn)代輕機(jī)車。采用傳統(tǒng)的閉合方法，減少重量。它是連接方式的一次革新,如空中客車A340采用T型接頭就是一個(gè)成功的例子,它與鉚接比較,在相同剛度的情況下,機(jī)身重量減小約20%,并且其制造成本降低近25%。因此高強(qiáng)鋁合金T型接頭的激光焊接是航空、船舶、汽車、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域輕型化的一個(gè)重要課題。本文分析總結(jié)了高強(qiáng)鋁合金T型接頭存在的幾個(gè)主要問(wèn)題,從工藝的優(yōu)劣性方面介紹了當(dāng)前高強(qiáng)鋁合金T型接頭焊接常用的幾種工藝,并探討了高強(qiáng)鋁合金T型接頭焊接的新工藝。1t型接頭激光焊接的特點(diǎn)高強(qiáng)鋁合金T型接頭激光焊接過(guò)程中最常見的幾個(gè)問(wèn)題就是變形,氣孔、裂紋和焊縫成形的困難。不采用拘束和接頭優(yōu)化的情況下,底板很容易出現(xiàn)兩側(cè)的向上翹起彎曲,若采用單側(cè)依次雙面焊接,立派容易出現(xiàn)如圖所示的彎曲變形及向焊縫一側(cè)傾斜,如圖1a所示。為了工藝的易于執(zhí)行和操作方便,T型接頭激光焊接一般都是激光光束與底板成一定傾角,這樣在焊接過(guò)程中,熔池溶液受力情況和水平面的焊縫比較,更容易形成小孔的塌陷閉合,并且也很不利于小孔氣體的上浮排除,因此,高強(qiáng)鋁合金T型接頭激光焊接小孔傾向相對(duì)較大。由于T型接頭在焊接區(qū)域的熱傳導(dǎo)方式是三維的,與平板近似二維的熱傳導(dǎo)方式相比,冷卻速度更快,且立板和底板的熱傳導(dǎo)方向的差異,裂紋傾向性也較大。由于T型接頭熔池位置和形狀的原因,熔池熔液具有流動(dòng)性,在重力的作用下,容易形成焊縫的向里的凹陷,如圖1b所示,這樣給焊縫成形帶來(lái)困難。采用單側(cè)依次雙面焊接高強(qiáng)鋁合金T型接頭的第一道焊縫時(shí),還存在另一側(cè)的保護(hù)問(wèn)題,否則在兩板端面接觸位置將出現(xiàn)氧化夾雜,導(dǎo)致第二道焊縫出現(xiàn)焊接過(guò)程的不穩(wěn)定出現(xiàn)氣孔并引起裂紋,如圖2所示。為了解決高強(qiáng)鋁合金T型接頭激光焊接過(guò)程中出現(xiàn)的這些問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究,并取得了一定的成果。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析對(duì)T型接頭的應(yīng)力變形的問(wèn)題,主要是從裝夾具的設(shè)計(jì)、接頭的設(shè)計(jì)及合理的工藝這幾個(gè)方面解決,在合理的拘束下,通過(guò)理論計(jì)算出變形量,然后合理的預(yù)置反變形,研究表明可以在一定程度上降低T型接頭的應(yīng)力變形。通過(guò)兩束激光束同時(shí)作用在T型接頭兩側(cè)不僅可以克服另一側(cè)的保護(hù)問(wèn)題,還可以緩解立板變形的問(wèn)題,德國(guó)宇航院的雙光束焊接工藝在T型接頭已獲得成功。對(duì)于接頭設(shè)計(jì)方面,文獻(xiàn)結(jié)合理論計(jì)算研究了底板厚度和在底板上設(shè)置凸臺(tái)對(duì)T型接頭在焊接過(guò)程變形的影響,實(shí)驗(yàn)表明,T型接頭只要稍稍改變一下接頭的形式就可以大大減小焊接結(jié)構(gòu)的變形。底板厚度從4mm減小到1.6mm時(shí),因?yàn)闄M向截面的減小,板的剛度也隨之減小,使得縱向的彎曲和橫向的彎曲明顯的增加;對(duì)于鋁合金的激光T型接頭的焊接來(lái)說(shuō),在底板上設(shè)置一個(gè)凸臺(tái)是非常有必要,可以大大減小縱向的彎曲和橫向的彎曲。文獻(xiàn)從改善焊接過(guò)程的可靠性出發(fā),實(shí)驗(yàn)得出凸臺(tái)的寬度應(yīng)該是立板的1-2倍。對(duì)于裂紋、氣孔和焊縫成形的問(wèn)題,目前是通過(guò)填充材料的途徑來(lái)改善的,填充材料的作用概括起來(lái)講,其作用有:(1)可以通過(guò)調(diào)整其成分,改善焊縫的冶金性能,愈合熱裂紋并可以使氣體更易于上浮,從而改善裂紋和氣孔傾向;(2)填充材料的加入填補(bǔ)了焊縫的凹陷部分,改善焊縫表面成形;(3)填充材料的加入可以明顯增加焊縫上部熔池截面寬度,更利于溶池中氣體的上浮排出,極大降低焊縫的氣孔率;(4)填充材料的加入,改善激光與工件的能量耦合,可以提高激光的有效利用率,并吸收等離子體的能量,便于等離子體的穩(wěn)定和控制;(5)填充材料的加入可以降低對(duì)工件裝備精度的要求,利于工業(yè)化的推廣。目前,填充材料的工藝的實(shí)現(xiàn)手段在高強(qiáng)鋁合金T型接頭上主要是采用預(yù)置填充材料、和采用填充焊絲這兩種方式。T型接頭的預(yù)置填充材料焊接工藝一般是底板上先進(jìn)行電鍍,然后再腐蝕掉接頭以外多余的部分,立板上的預(yù)制材料是采用涂敷技術(shù),但是噴涂層存在相當(dāng)高的氣孔率,必須在噴涂后進(jìn)行后加工處理?？梢姴捎妙A(yù)制材料的工序相當(dāng)復(fù)雜,并且還有些技術(shù)困難。首先是預(yù)置涂層的厚薄有一定的要求以保證其完全合金化,否則合金化不良,出現(xiàn)裂紋;另外,激光束必須對(duì)位準(zhǔn)確,以保證鍍層的完全熔化,否則出現(xiàn)凹陷和未熔合等缺陷。此外,立板上的預(yù)制材料是采用涂敷技術(shù),其采用的鋁合金粉末在制粉過(guò)程中采用氮?dú)馐蛊溻g化,所以在焊縫中難免有脆性相AIN,影響接頭質(zhì)量品質(zhì)的提高。填充焊絲是采用送絲機(jī)構(gòu)將焊絲導(dǎo)入配套的噴嘴,送入熔池,一般采用的是和焊絲同軸的氣體保護(hù)及與激光光束同軸的氣體保護(hù)以保護(hù)焊縫和控制等離子體。文獻(xiàn)表明通過(guò)采用填充焊絲,可以改善激光與工件的能量耦合,可以提高激光的有效利用率,降低深熔焊接臨界功率密度,并在焊接過(guò)程中吸收等離子體的能量,減弱等離子體的膨脹和波動(dòng),便于等離子體的穩(wěn)定和控制。同時(shí),焊縫的表面粗糙度減小,焊縫寬度均勻性得到改善。但是采用填充焊絲的工藝對(duì)送絲機(jī)構(gòu)的送絲精度有嚴(yán)格的要求,另外對(duì)于不同材料,不同規(guī)格的焊絲對(duì)焊接速度和送絲速度的匹配值也不同,并且得到理想焊縫的匹配值區(qū)間窄。因此,在焊接過(guò)程中,容易出現(xiàn)頂絲和粘絲,使焊接過(guò)程中斷,從而抑制了采用填充焊絲工藝在生產(chǎn)工業(yè)中的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。3粉束分揀焊縫采用填充粉末比采用填充焊絲的工藝更加柔性化,可以突破填充焊絲對(duì)送絲機(jī)構(gòu)精度要求高、速度匹配的工藝要求及頂絲、粘絲的一些局限,便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的推廣、因此我們采用填充粉末對(duì)高強(qiáng)鋁合金T型接頭激光焊接進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。填充粉末是采用適用于激光加工的送粉器,經(jīng)過(guò)專門的送粉噴嘴將粉束送入焊縫。目前可滿足用戶使用的送粉器有MetcoMFP2、PlasmaTwin10、DPSF-2、PFL-1A等型號(hào)。要獲得傳輸穩(wěn)定,有一定挺度的粉束,送粉噴嘴的設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)鍵,北京工業(yè)大學(xué)研制的一種新型的送粉專用噴嘴可以滿足上述條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn),粉末可以有效的送入焊縫熔池,得到了焊縫成形良好,焊接過(guò)程穩(wěn)定的焊縫,如圖4所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用填充粉末和填充焊絲時(shí)一樣,也可以降低激光焊接的功率密度臨界值,并有利于等離子體的控制。這是因?yàn)榉勰┎牧闲螒B(tài)的特點(diǎn),在相同的激光作用區(qū)域,其作用表面積更大,吸收率更高,并且粉末質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)的熱傳導(dǎo)與焊絲準(zhǔn)一維的熱傳導(dǎo)相比較,其熱損耗更少,故而,粉末材料更容易氣化和離化,形成等離子體,而等離子體可以改善激光與工件的能量耦合,提高激光能量的有效利用率。和填充焊絲時(shí)一樣,填充粉末在焊接過(guò)程中也要吸收光致等離子體的能量,減弱等離子體的膨脹和波動(dòng),利于等離子體的穩(wěn)定和控制。4高強(qiáng)鋁合金t型接頭激光制備工藝采用填充粉末比采用填充焊絲的工藝更加柔性化,