鋁合金薄板多光束YAG激光焊接設計
2013-08-10
鋁合金具有重量輕、強度高、耐腐蝕性等優(yōu)點，廣泛應用于汽車、飛機、船舶等制造材料。鋁合金的激光焊接技術是近20年來發(fā)展起來的新技術，和傳統(tǒng)焊接技術相比，它在焊接的效率、可靠性、精度上具有很大的優(yōu)勢。鋁合金焊接的難點在于其對激光的反射率極高，其中對CO:激光的初始反射率接近90%，對YAG激光反射率接近80%。大量文獻記載了用高功率CO:激光器進行鋁合金焊接的研究或試驗，對用YAG激光進行鋁合金焊接研究相對較少。部分激光加工企業(yè)利用YAG激光器對lmm左右的鋁合金薄板焊接進行了試驗研究。武漢楚天激光工業(yè)激光設備有限公司激光加工工藝部的工程師經(jīng)過試驗，在50 WYAG固體激光器上順利完成空調鋁合金連接架的焊接，強度達到了用戶要求，但焊接表面粗糙，有裂紋和氣孔存在。另外，通過多次在30WYAG激光器上試驗對lmm鋁合金焊接，雖然熔深較大，甚至可以實現(xiàn)穿透焊，但焊接后材料強度不夠，同時表面有明顯裂紋，內(nèi)部有氣孔。部分研究機構利用激光-MIG復合焊或填絲焊的方法進行鋁合金激光焊接也取得了一定的成果，但加工工藝相對復雜。本文對鋁合金激光焊接技術工藝進行了研究，分析了多光束YAG激光解決鋁合金焊接部分缺陷的可能性，提出多光束YAG激光焊接機的光路構建方法。
2 鋁合金激光焊接技術難點與解決方法
2.1 鋁合金對激光束的高表面反射
進行激光焊接，首先碰到同時也是很難解決的問題是表面對人射激光的強烈反射，可以采用對鋁合金表面進行預處理的方法來解決，例如電解拋光、噴砂或陽極氧化處理等方法。但進行表面工藝處理時會增加加工的復雜性甚至破壞表面，特別是在材料本身已做過拋光處理的材料則該方法更不可取。
為了既不破壞焊接件表面狀態(tài)，同時使激光焊接工藝過程簡化，可以采用對焊接材料進行預加熱升溫的方法提高材料對激光的吸收率。理論與研究均表明，針對紅外激光，金屬吸收率與溫度依賴關系可以用下面簡單的表達式描述:
鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋。如果用單光束激光加工，材料加熱和冷卻速度極快，焊縫深寬比大，焊縫結晶組織方向性強，鋁合金焊接會在焊縫金屬和近縫區(qū)出現(xiàn)裂紋。出現(xiàn)在焊縫區(qū)的是結晶裂紋，出現(xiàn)在近縫區(qū)的為液化裂紋。一般在激光焊接時，近縫區(qū)很窄，大約在2O0ηm以下，不會對整個焊接接頭造成很大危害，所以重要的是如何止結晶裂紋。一般來說合金成分越大則產(chǎn)生結晶裂紋的可能性越大，焊接速度越大則焊縫中裂紋數(shù)越多。出現(xiàn)以上情況是冷卻速度過快而合金元素不能完全固溶于結晶中且加熱冷卻時體積變化很大，產(chǎn)生很大的變形于應力并作用于發(fā)生共晶的晶界上產(chǎn)生結晶裂紋。在楚天激光工業(yè)激光設備有限公司激光加工工藝部進行的試驗發(fā)現(xiàn)，當用平均功率為30 W單光束YAG激光進行鋁合金焊接時，如果采用高速多次掃描并且每次的離焦量不同進行焊接試驗，最終發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋明顯減少，焊接強度增加。
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