铝合金激光焊接工艺研究

铝合金激光焊接工艺研究摘要：作为一种优质的轻金属材料，铝合金一直被广泛应用于各行业的焊接结构产品中。然而，随着时代的不断发展，各行各业对于产品要求越来越高，传统的铝合金焊接工艺逐渐被淘汰。本文旨在介绍一种新型焊接工艺，即激光焊接工艺，通过对当前激光焊接工艺存在的问题进行分析，提出相应的解决策略，并阐述铝合金激光焊接工艺的应用前景，以更好地推动铝合金激光焊接工艺的发展与完善。关键词：铝合金；激光焊接工艺；气孔问题引言：铝合金本身由于抗腐蚀性强，导热导电性好以及耐低温等诸多优势在工业中被广泛应用。但同时，铝合金也存在一定缺陷，即焊接困难。而激光焊接等新兴技术的出现则为该问题的解决提供了新思路。相较于传统焊接工艺，激光焊接工艺焊接过程自动进行，且热输入量小，因而比较符合铝合金自身属性。加强对激光焊接工艺的研究，对于满足各行各业发展需求具有重要意义。一、铝合金激光焊接工艺当前存在的问题1.焊接中的气孔问题尽管铝合金激光工艺优势明显，但在某些应用场景下仍存在一定缺陷。譬如在汽车制造行业中，运用铝合金激光工艺会不可避免的产生气孔问题。对于气孔问题的形成，目前并未形成定论。通常认为，气孔的出现是由于氢溶解度急剧变化所引起的氢气孔或者熔池金属紊流所导致的气孔。有学者研究表明，气孔的产生与表层物质有关，尤其是Mg、Li，会导致熔池吸氢增加，同时也会加剧匙孔的不稳定性，从而导致气孔的产生。2.铝合金激光焊接热裂纹缺陷铝合金激光焊接工艺在应用的过程中，还容易产生热裂纹问题。热裂纹的产生主要是由于环境高温所导致铝合金熔化，当局部熔化超出其本身所能承受范围便会形成热裂纹。热裂纹的种类较多，通常根据形态、机理以及温度区间不同可以将其分为凝固裂纹，液化裂纹，多变化裂纹以及失塑裂纹等。其中，比较常见的有凝固裂纹（又称结晶裂纹）和液化裂纹。导致裂纹产生的原因主要有两种，一种是铝合金合金元素种类和数量，另一种则是焊接速度以及加热和冷却速度。在实际操作过程中，为了避免热裂纹的产生，应综合权衡铝合金元素种类与数量以及选取适合的工艺进行焊接。3.铝合金激光焊接热影响区软化问题在激光焊缝快速凝固的过程中，有时会因为产生晶体不均匀而出现软化区域，譬如通常情况下快速凝固的产物为等轴晶，但倘若操作过程处理不当则会形成柱状晶，由是产生软化问题。当人工时效时长为28.8KS，同时确保温度为448K下，软化问题便可以完美解决。一般的铝合金焊接工艺则在相同条件下无法完全消除软化问题。得益于先天软化区较窄的优势，铝合金激光工艺通常对热影响区软化影响较小，但仍存在一定软化现象，因而亟需更加先进的工艺来进行相关处理。二、针对当前铝合金激光焊接工艺存在缺陷的解决措施1.解决气孔问题的有效措施随着大量实验的进行，人们逐渐发掘出了导致气孔产生的各类因素，流量及保护方法、焊接参数、保护气体种类以及材料表面状态等等。因此，在工艺前期准备工作中，应专门清理好表面物质，防止Mg、Li等易导致吸氢物质的堆积，以及采取相对来说更加高效的焊接方式，例如提升焊接功率和焊接速度等。这样做可以有效减少气孔的产生。此外，保持焊接环境真空以及调整激光功率波形等都可以减少小孔现象。但同时，也有科学家指出，小孔并非越少越好，适度的小孔可以提升铝合金在焊接过程中的稳定性，从而提升工艺质量。2.铝合金材料焊接填充焊接速度是铝合金焊接工艺中较难掌控的一点。焊接速度高有助于降低气孔的产生，同时也可以提升工艺效率。但与此同时，更快的焊接速度也容易加剧热裂纹的产生，因而如何在效率与质量之间求取平衡是我们应重点关注的问题。当前，有研究学者指出，填充材料的方式可以降低热裂纹现象发生的概率。其原理在于填充材料（一般为B、Ta等）在焊接过程中会形成熔点高的金属化合物，该种物质可以有效避免热裂纹的产生。但与此同时，填充材料成本较高，且会加大工艺难度，因而并非完美的解决方案。此外，也有科学家发现，调整焊接金属成分或者点焊时控制热输入等方式也可以抑制结晶裂，从而减少热裂纹。总而言之，目前对于热裂纹并没有完美的解决方案，但对于如何应对、减少热裂纹却有较多可行措施，对于铝合金激光焊接工艺的研究有待进一步完善与发展。3.激光复合焊接工艺激光复合焊接是一种通过高能激光束与电弧共同作用所形成的焊接工艺。与单一激光焊接工艺不同，激光复合焊接工艺焊接速度较快，且本身缺陷较少，能够有效降低金属对于激光束的反射率，同时热影响区小，热变形小，因而在解决软化问题方面具有重要作用。激光复合焊接工艺可以降低铝合金液体凝固速率，从而促使气体析出，同时电弧所带来的热量输入也可以避免单一激光焊接工艺下所造成的焊缝硬度较大的问题。除此之外，激光复合焊接还可以被应用于自动化领域，如果能够实现量产，则将大大提升企业的生产效率。三、铝合金激光焊接工艺的应用1.汽车制造近几年来，随着行业的不断发展，汽车制造业不断探寻新材料以提升整体制造质量。铝合金就是其中一种。通过铝合金激光焊接工艺，可以将汽车车门、顶盖、侧围、行李箱盖等进行替换，能够有效降低汽车重量，同时激光摆动焊接技术在完善施工工艺，简化施工流程，方面也具有重要作用，因而具有广阔发展空间。2.航空航天激光焊接工艺在航空航天领域得到了最为广泛的应用。航空发动机中焊接件占据一半以上，在该过程中，通过铝合金焊接工艺所形成焊接件不仅质量轻、成本低，同时对于发动机性能也具有重要促进作用，因而具有广阔的应用前景。除此之外，在机身壁板、主结构件层面铝合金也具有重要应用。相较于传统铆接机身壁板，激光焊接机身壁板重量更轻，更有助于降低制造成本，此外对于连接部位的性能也具有一定改善作用。与此同时，当前铝合金已成为火箭一种航天器的主要结构材料。通过激光焊接的主结构件更加便于操作，柔性较高且节能环保，性能与安全都有所保证。从以上所述来看，得益于质量轻、环保、便于操作等特点，铝合金在航空航天业具有广泛的应用场景，同时激光焊接工艺的加入也进一步提高了铝合金的应用比例，因而加强对铝合金激光焊接工艺的研究与发展对于促进我国航空航天业的发展具有重要意义。3.石油管道铝合金激光焊接工艺在石油管道方面也具有重要作用。铝合金石油管道能够增加管道直径，提升管壁厚度，因而提升了管道相同时间内的输油量，大大提升了输油效率。与此同时，铝合金激光焊接工艺在焊接过程中，不仅成功率高，几乎可以一次成型，同时成型的铝合金石油管道的质量也有所保障。石油输送本身属于危险行为，一旦发生泄漏便会对周边环境造成较大影响，导致环境污染、人员损失惨重，因而高质量的铝合金石油管道更有助于降低石油输送风险，提升经济效益。结束语：铝合金得益于自身独特优势，在航空航天、汽车制造以及石油运输等层面都具有广泛应用空间。但同时，在工业生产方面铝合金工艺并未得到大范围的普及。这主要与我国激光焊接工艺尚未成熟有关。因此，行业研究人员应加强对铝合金激光焊接工艺的研究，致力于完善、改善气孔、热裂缝以及软化等问题，不断完善发展激光焊接工艺，以为我国制造业发展提供有力的技术保障。参考文献：[1]周英才,高士友,刘迪,宁虹,王步繁.6016铝合金激光焊接接头性能[J].塑性工程学报,2021,(07):205-212.[2]周英才.6016铝合金激光焊接接头组织性能强化研究[D].导师：高士友.燕山大学,2021.[3]吴雁,肖礼军,孙士学,唐德高.激光在铝合金焊接中的应用研究进展[J].热加工工艺,2021,(15):1-5