张伟-铝合金车身的激光焊接工艺设计

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1、铝合金车身的激光焊接工艺设计一 前言1 激光焊接的原理： 光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余的金属被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。激光光波入射材料时，材料中的带电粒子依着但矢量3的步调振动，使光子的辐射能变成了电子的动能。物质吸收激光后，首先产生的是某些质点的过量能量，束缚电子的激发能或者还有过量的声子。这些原始激发能经过一定过程再转化为热能。2 激光的分类：分为连续激光焊和脉冲激光焊。连续激光焊在焊接过程中形成一条连续的焊缝。脉冲激光焊接时，输入到工件上的能量是断续的，脉冲

2、的，每个激光脉冲在焊接过程中形成一个圆形焊点。3 激光焊接设备及技术参数：激光焊接设备包括：激光器、光束传输和聚焦系统、气源、电源、工作台和控制系统技术参数包括：激光波长、最大输出能量、重复率、脉冲宽度和激光工作物质尺寸激光的应用：4 在汽车车身制造方面的应用：汽车车身是整个汽车零部件的载体，车身制造质量的优劣对整车质量起着决定性的作用。在汽车车身制造方面，激光焊接成为了一种固定的成形方法，适用于量体裁衣地制造半成品。世界一些著名汽车公司，如宝马、通用、福特、本田、丰田、菲亚特、雷诺、沃尔沃以及克莱斯勒公司等都广泛采用了激光拼焊工艺，而且所生产的轿车车身均由激光拼焊板冲压而成。在我国，武汉钢铁

3、公司采用激光焊接技术进行汽车用超宽钢板的拼接。激光拼焊是将2-3 块精确裁剪、物理化学性能、表面状态、厚度各不相同的板材拼焊在一起，然后再把这种半成品冲压成车身零件。采用激光拼焊工艺获得的焊缝质量优良，焊缝转接也较为平稳，使车身零部件的抗冲击性和抗疲劳性得到了显著改善。总的说来，激光焊接技术在车身制造中的应用大大减少了结构件和零配件的数量，从而减轻了汽车质量；提高了车身的尺寸精度和耐腐蚀能力，增加了汽车结构的可靠性、稳定性和安全性；在改善车身质量的前提下，不仅减少了装配工作量，而且还减少了成型工具、冲压机的工装投资以及运输、储存金属材料的费用，节约了制造成本。5 铝合金激光焊接技术的研究现状及

4、5.1发展前景：由于铝合金对激光的高反射和自身的高导热性,铝合金激光焊接对激光器的输出功率和光束质量要求很高。因此,铝合金激光焊接技术的发展必然与激光器的发展紧密联系在一起。大功率CO2 激光器光束质量的改善和短波长YAG激光器输出功率的提高将大大改善铝合金的激光焊接性 。采用双光束或多光束激光焊接技术通过扩大激光焊接小孔的开口,可以提高焊接过程中的稳定性,改善焊缝成型。针对铝合金激光焊接过程的稳定性及焊缝质量的问题,当前,国际上铝合金激光焊接的研究热点是采用所谓的复合工艺,即将激光与电弧焊接结合起来。这种复合工艺早在20 世纪70 年代末就已经提出,但因为电弧的引入增加了焊接的热输入,从而必

5、然使焊接热影响区和热变形增大。因此,“激光与电弧”这种复合工艺在铝合金的焊接方面是否具有工业应用前景还需深入研究。最近有人发现在CO2 激光熔池中存在幅度为几安培的固有电流,在焊接区施加一定的外磁场可以影响熔池的流动状态。因此,采用某种形式的外磁场有可能改善铝合金激光焊接过程的稳定性和焊缝质量 。另外,还有人采用辅助电流的铝合金激光焊接技术。即通过附加电极或通过填充焊丝向焊接熔池提供辅助电流,借助辅助电流在熔池中产生的电磁力控制熔池的流动状态,实现熔池中热量的重新分配,达到强化激光能量的有效利用率、提高加工效率之目的。同时利用辅助电流在焊接熔池中形成的磁流体效应使熔池动荡不定的运动变得有序和可

6、控,从而改善焊接过程的稳定性,提高焊缝质量。通过试验证明 ,焊缝深度最高增加约32 % ,面积增加约20 % ,而焊缝宽度减少约28 %。这一技术很有可能在未来的铝合金激光焊接中起到重要作用。激光焊接技术发展到今天,其逐步取代传统焊接方法的趋势已不可逆转。在21 世纪,激光焊接技术在材料领域必将起到至关重要的作用。当前,可持续发展战略已成为各国经济发展的重要战略,节能、环保已成为科研工作的两大主题。因此,铝合金成为航空、航天、汽车工业中一种非常有竞争力的材料,德国和日本等公司都已投入巨资进行激光焊接铝合金的研究。尽管铝合金激光焊接技术中的工艺还不十分成熟,但存在的问题是可以解决的。随着研究的深

7、入,铝合金激光焊接的工艺参数将得到进一步优化。5.2 铝合金焊接的特点铝合金由于重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构重量可减轻50 %以上。铝合金焊接有几大难点: 铝合金焊接接头软化严重,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍; 铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3 其熔点为2060 ) ,这就需要采用大功率密度的焊接工艺; 铝合金焊接容易产生气孔; 铝合金焊接易产生热裂纹; 线膨胀系数大,易产生焊接变形; 率铝合金热导大(约为钢的4 倍) ,相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大24 倍。

8、因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。5.3 铝合金的激光焊接铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点,特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入,从而可提高生产效率,改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。激光焊接

9、铝合金有以下优点: 能量密度高,热输入低,热变形量小,熔化区和热影响区窄而熔深大; 冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好; 与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本; 不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X 射线; 可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接; 激光可用光导纤维进行远距离的传输,从而使工艺适应性好,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能

10、量失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。因此采用YAG激光器焊接。在焊接大厚度铝合金时,传统的焊接方法根本不可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图1激光焊接时的小孔形状。图2为激光深熔焊示意图 。 图1激光焊接时的小孔 图2 激光深熔化焊 铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱,对CO2 激光束(波长为10. 6m) 表面初始吸收率1. 7 %;对YAG激光束(波长为1. 06 m)吸收率接近5%。图3 为不同金属对激光的吸吸收率小,热收率。由于导率

11、高,在实际铝合金焊接过程中,一定要保证良好的光束聚焦,同时还要用高功率密度的高能激光束进行照射。铝合金激光焊接时,产生深熔焊,激光功率必须达到一个特定的阈值,这就对激光器提出一定的要求,也是激光焊接的一个难点。铝合金的电离能低,部分牌号焊接过程中光致等离子体易于过热和扩散,焊接稳定性差。焊接铝合金就一定要求激光束的能量密度高和光束的聚焦性能好。铝合金又是典型的共晶合金, 在激光焊接的快速凝固过程中更容易产生热裂纹。激光焊接熔池深宽比大,气泡不易上浮析出,容易产生气孔。液态铝合金的流动性好,表面张力低,焊接过程的不稳定造成焊接熔池剧烈震荡,易产生咬边、成形不连续,严重时造成焊接过程中的小孔突然闭

12、合而在焊缝中产生直径较大的工艺孔洞(Process Holes) ,或小孔在闭合前由向外喷发的等离子体将液态金属吹出熔池而形成所谓的喷射孔洞。 图3不同金属对激光的吸收率5.4 YAG激光焊接 激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。 常用的激光焊接方式有两种：脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固定连续和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。 l、激光焊接加工方法的特征 A、非接触加工，不需对工件加压和进行表面处理。 B、焊点小

13、、能量密度高、适合于高速加工。 C、短时间焊接，既对外界无热影响，又对材料本身的热变形及热影响区小，尤其适合加工高熔点、高硬度、特种材料。 D、不需要填充金属、不需要真空环境（可在空气中直接进行）、不会像电子束那样在空气中产生X射线的危险。 E、与接触焊工艺相比无电极、工具等的磨损消耗。 F、无加工噪音，对环境无污染。 G、微小工件也可加工。此外，还可通过透明材料的壁进行焊接。 H、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。 I、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。 J、很容易搭载到自动机、机器人装置上。 K、对带绝缘层的导体可直接进行焊接，对性能相差较大的异种金属也可焊

14、接。二 焊接工艺：1.缝材料的要求和钢-铝激光焊焊接材料的选择1.1对焊缝材料的要求:1.防锈性能稳定；2.较好的延展性；3.与钢材很好的润湿性；4钢材和焊缝材料有很好的连接性；5.铝材和焊缝材料有很好的可混性。1.2 钢-铝激光焊焊接材料的选择很多元素都与钢材有很好的润湿性，如Cu,Ni,Co,V,Ca,Ag,As和Au等， 所以关键是看与铝材的润湿性。图1所示为与钢、铝有很好连接性的金属，从图中相交位置发现像Cr,Mn,Zn,Si和Ag这些金属与钢、铝的连接性都很好。对镀锌钢板和铝合金的连接， 应最先考虑锌基的焊接材料。锌基合金可用来制作填丝，以得到很好的焊缝材料。对锌铝合金而言，最好的材

15、料性能可在ZnAl6ZnAL22.3之间获得，对相近的ZnAl5而言，可得到富Al的混合晶体， 而ZnAl22可得到富Al的混合晶体。由于连接时部分铝材会熔化，考虑将ZnAl2作为填丝， 以得到ZnAl6ZnAl22.3之间的焊缝材料。图4 钢、铝有很好连接性的金属其他合金元素（如Mg） 可以提高锌铝合金的抗腐蚀性能，因此在合金中w（Mg）可为0.05%。Cu通过混合晶体的生成可以提高强度和蠕变特性， 也对抗腐蚀性能有改善作用。w（Ag）1%5%可以改善ZnAl合金的可变形性能。Bi能增加ZnAl合金的润湿性。在此将研究ZnAl， ZnAlAg， ZnAlBi，ZnAlCu,这些合金的性能和以

16、它们作为焊丝得到的焊缝材料的性能。2. 钢-铝薄板激光焊接的过程母材中镀锌钢板采用DX56D+Z， 铝板采用AA6016（AlMg0.4Si1.2Mn）或其改进的材料品种AC120PX，在T4状态下即未经过热处理的状态下的力学性能测试结果如图!所示。叠接构件尺寸如图4所示，其中钢板厚0.9mm，铝板厚1.1mm。 图5 钢板铝板ZnAl5的力学性能 图6 钢板铝板叠接的构件尺寸图3 Zn基合金材料的性能测定3.1 ZnAl合金的性能各种ZnAl合金由Zn和Al混合而成，它们的维氏硬度及抗拉强度、伸长率如图7,图8示所： 图7 ZnAl合金的硬度图8 合金的抗拉强度和伸长率3.2 ZnAl合金的

17、力学性能ZnAl2合金由ZnAl2熔化后加入Ag，Bi制成，其力学性能见表1表1 合金的力学性能3.3 ZnAl4合金的力学性能ZnAl4合金由ZnAl4熔化后加入Cu制成，力学性能见表2表2 ZnAl4合金的力学性能3.4 ZnAl20合金的力学性能ZnAl20合金由ZnAl20熔化后加入Ag，Bi制成，力学性能见表3表3 ZnAl20合金的力学性能4. ZnAl基合金焊缝材料的性能测定4.1 ZnAl基合金焊缝材料的成分与性能ZnAl基合金作为焊丝， 激光焊接后形成的焊缝材料的成分、接头力学性能见表0。针对焊缝材料测出硬度，对整个焊接后的接头（长230mm，宽200mm）测出最大拉力和轴向

18、拉伸变形。以下ZnAl2，ZnAl4，ZnAl20合金焊缝材料的力学性能测试与此相同表4 ZnAl基合金焊缝材料的成分（质量分数）（%）及力学性能4.2 ZnAl2基合金焊缝材料的成分与性能ZnAl2基合金分别添加Ag，Bi作焊丝，激光焊接后形成的焊缝材料成分及接头力学性能见表5表5 ZnAl2基合金焊缝材料的成分（质量分数）（%）及力学性能4.3 ZnAl4基合金焊缝材料ZnAl4基合金添加Cu作为焊丝，激光焊接后形成的焊缝材料的接头力学性能见表6表6 ZnAl4基合金焊缝材料的力学性能4.4 ZnAl20基合金焊缝材料ZnAl20基合金添加Ag，Bi作焊丝，激光焊接后形成的焊缝材料成分及接

19、头力学性能见表7表7 ZnAl20基合金焊缝材料的成分（质量分数）（%）及力学性能数据显示，ZnAl2作为焊丝，所得焊缝材料性能最佳，最大拉力为8.8KN，轴向伸长6.7MM（1） 锌铝2种金属的合金随铝含量增加， 其强度增加，ZnAl20的塑性最好。Ag，Cu，Bi能增加锌铝合金的硬度。在ZnAl2合金中加入Ag能增加抗拉强度，而在ZnAl2合金中加入Ag则效果不明显。Cu的加入能提高合金的强度，但伸长率减小，塑性变差。在ZnAl2合金中Bi的加入对强度、塑性都不好。ZnAl2合金加入w（Bi）0.5%，对强度影响不大，但塑性大大减少。（2）由锌铝合金作为焊丝，采用Nd:YAG激光束连接钢板

20、和铝板（叠接）时，ZnAl2焊丝得到的焊缝材料抗拉强度和塑性最好。ZnAl4Cu作为焊丝所得的焊缝材料与ZnAl4的相比,强度、塑性都差不多， 但硬度提高。加入Ag能使硬度加大，但降低了强度与塑性。Bi的加入一般能使硬度加大，但塑性大大降低。建议在本文情况下，采用ZnAl2作为焊丝，不用添加Ag，Cu，Bi。表3为试验获得的力学性能试验数据，从表中可看出，焊缝和热影响区的硬度都比母材高， 焊缝中心的硬度最高， 随着两侧与焊缝中心的距离增大， 硬度呈抛物线下降， 至母材后趋于稳定。表8试验获得的力学性能数据焊缝断口微观形貌表现出明显的韧性断裂特征。断口部位呈现出许多尺寸不均匀的一次相， 韧窝底部

21、还有近似平行的条纹，这是由六方马氏体只有/个滑移系和其特定的晶体学关系决定的。（1）Ti-6Al-4V合金热影响区的晶粒略有粗大，其焊缝组织是由粗大的原始相转变而成的片状或长针状相。（2）Ti-6Al-4V合金焊接接头的抗拉强度比母材高，断口形貌表现为塑性断裂特征。（3）Ti-6Al-4V合金焊接接头的硬度比母材略高，且由焊缝中心向母材过渡呈抛物线状下降。5. 焊接结构与焊缝组织： 图9 焊接部位 为提高铝及铝合金对激光的吸收率，进行了表面化学改性、表面镀层、表面涂层及复合激光焊等研究。将连续电弧与脉冲激光束复合，能够消除焊缝区的凝固裂纹. 激光焊铝及铝合金质量控制系统采用多参数的线性回归方法

22、预测铝及铝合金激光焊接时熔核直径、形状及喷溅情况。 研究各个工艺参数之间的关系以及它们对激光焊接质量的影响，找出焊接不同厚度的铝及铝合金的最佳工艺。对铝合金激光焊接接头本身性能进行了研究。例如，铝合金进行了混合气和焊剂的激光焊的研究，使焊缝强度可达到母材的90%.焊接设备为Rofin Sinar激光有限公司生产的YAG-DY044激光焊机， 最大功率2.5KW。激光焊焊接参数见下表：6. 控制参数：6.1 离焦量离焦量指焦点偏离工件的距离,实质是改变辐射到工件表面的功率密度,但起作用不止如此。离焦的方式有两种:焦平面位于工件上方为正离焦,反之为负离焦。离焦量的大小,影响材料表面熔化斑点的直径及

23、熔池的径深比。虽然正负离焦量大小相等时,工件表面的功率密度相等,但一般来说负离焦量时工件内部功率密度大于表面处,焦点处的高能量密度完全用于熔化母材,因此可获得更大的熔深,另外焦点位置小于零,工件与喷嘴端部较近,保护气因流动路径的缩短而挺度增加,有利于进一步消除等离子体。为了增加熔深,焊接过程中一般都采用负离焦,由于不同的激光器光束质量不一样,焊接过程中对离焦量的要求也不一样。本文中采用300mm 的焦距的铜镜,激光器光斑直径在焦点处仅有0. 26mm ,在焦点处的激光功率密度达到5. 2 106W/ cm2 ,添加电弧后由于在激光的引导下电弧能够到达激光小孔,焦点处的能量密度进一步提高。如果继

24、续采用负离焦,焦点处的高能密度全部用来熔化母材,将会形成大量的金属蒸汽,喷射出的金属蒸汽能够吸收激光能量,造成等离子体屏蔽激光,使焊接过程不稳定,反而使熔深减少.激光功率为1. 5kW ,送丝速度为1. 3m/ min .6.2 焊接速度提高焊接速度,虽然能够稳定激光小孔,但是热输入下降,焊缝熔深会有减少,而且焊接速度过大,熔滴过渡不稳定,容易引起熔池的不稳定;降低焊接速度可加大熔深,但若焊接速度过低,熔深却不会增加,反而使熔宽增大,而且将会使焊接过程不稳定容易造成飞溅,因为复合焊维持小孔存在的主要动力是金属蒸汽的反冲压力。在焊接速度低到一定程度后,热输入增加,熔化金属越来越多,当金属蒸汽所产

25、生的反冲压力不足以维持小孔的存在时,小孔不仅不再加深,甚至会崩溃,因而熔深不会增大。所以,对一定激光功率和一定厚度的某特定材料都有一个合适的焊接速度范围,并在其中相应速度值时可获得最大熔深。不同焊接速度下的等离子体形态可以看到:在焊接速度为1.2m/ Min 时熔滴过渡不是稳定的射滴过渡; 在焊接速度为0.8m/ Min 时,没有观察到小孔的存在,激光小孔由于不能够维持自身的平衡,发生坍塌。在焊接速度为1 时,熔滴过渡和激光小孔都很稳定。焊接速度对复合焊熔深、熔宽以及深宽比的影响。激光功率为1. 5kW ,送丝速度为1. 3m/min ,离焦量为+ 3mm ,DL A 为+ 2mm。6.3 激

26、光倾斜角度激光功率为1. 5kW ,送丝速度为1. 3 ,离焦量为+2mm ,DL A 为+ 2mm ,焊接速度为1.2 m/ min 。采用激光倾斜一定角度可以防止反射回来的光损伤光镜,其次激光倾斜一定的角度可以减少等离子体对激光能量的吸收,从而可以提高激光能量的利用率,因为焊接过程中形成的等离子体一般上浮于焊缝表面,激光垂直入射等离子体对激光的吸收散射将比较大,减弱激光的利用率;倾斜一定角度,激光穿透等离子层的深度就会减少。但是激光的倾斜角度又不能过大,过大的角度将会使激光直接作用在焊缝的熔融金属上,熔深反而会减少。6.4 机器人姿态的控制焊缝走向及位置为机器人姿态控制的难点,很容易造成机

27、器人行走时的抖动,从而影响送丝的不稳定性,直接导致假焊、焊料堆积、缩孔和其它焊接缺陷。 这需要通过以下两方面的对策来加以解决。一是合理调节焊接工艺参数,主要是指送丝速度,需要根据实际情况,在不同的焊缝段适时加以调整。比如根据位置的送丝速度是不同的,在几个拐角处均需降低送丝速度以防止焊料堆积(焊缝突起) ;需加快送丝速度以使焊料充分铺展浸润至焊缝中,达到较好的连接效果。二是控制好机器人的行走姿态。必须反复调整机器人的姿态,使机器人平稳顺滑地行走。一般说来,在每个顶点处需设置三个编程点,以直线插值方式控制机器人的行走轨迹。另外,当机器人每一点的行走“精度圆( Genau) ”设置为6mm时,可以使

28、机器人行走得更加平稳。对于上下坡时的送丝速度,也需要进行适当增加或减小,以防止焊料堆积或浸润不足。同时,通过控制机器人的关节运动,来达到不同的倾角,以确定机器人的姿态。主要指机器人头部所带的ALO 聚焦镜头在三个方向上的角度,即前后倾角,侧向角度和扭转角度。这些角度主要影响了送丝的方向和焊丝熔化时的流向,因此可以明显地影响焊缝的成型并造成各种各样的焊接缺陷,如假焊或单边焊、缩孔、焊缝过度凹陷、焊料堆积等。在焊接过程中,需要根据焊接结果随时对机器人的姿态加以调整,来不断改善焊缝成型。7. 全自动激光焊接线主要工艺流程：拆垛上料夹紧定位激光焊接焊缝检测打浅坑堆垛。8. 激光焊接辅助设备-机器人应用

29、技术：机器人按照在焊装车间的用途可以分为:点焊机器人、弧焊机器人、涂胶机器人、螺柱焊机器人、装配及持件机器人和激光焊接机器人。激光焊接机器人是由机器人操纵激光加工镜组，进行激光焊接，激光源可以采用CO2 激光器或者YAG 激光器，激光焊接设备非常复杂，要求机器人重复精度高。 图10 生产线三维布置图9. 铝合金激光焊接的工艺特性及难点9.1光束反射及改善方法：铝合金激光焊的难点之一就是铝合金对激光的高反射,国内外学者针对这一问题已作了大量试验研究。研究表明 ,进行适当的表面预处理如砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉中氧化等可以降低光束反射,改善对光束能量的吸收。文献中作者经实验证

30、明,3 mm 厚的表面形成氧化膜的A6063 铝合金, 比1 mm 厚的表面光洁的A6063 铝合金的吸收率显著增大;C A Huntington 等人在文献中详细研究了铝在原始表面(铣、车加工后) 、喷砂(300 目砂纸) 、电解抛光和阳极氧化4种表面状况下对入射光束能量的吸收情况,得出结论:阳极氧化和喷砂处理可以显著地提高铝对光束能量的吸收。他们同时研究了接头坡口几何形状对光束吸收率的影响,指出:尖V 形坡口接头比无坡口或方坡口接头的吸收率要高得多。另外,有人从焊接结构设计方面考虑,通过合理设计焊接缝隙,也可以增加铝合金表面对激光能量的吸收(如图10所示) 。其原因是V 形坡口或采用图10

31、结构相当于人工制孔,有利于小孔效应的形成,可获得较大的熔深。图11 改变工件焊缝的几何形状 9.2小孔的“诱导”及稳定性小孔的“诱导”及稳定性是铝合金激光焊接中的特有困难,这是由铝合金的材料特性和激光的光学特性造成的。由于铝合金对激光的高反射率和高导热性,要想诱导出小孔,就必须有更高的能量密度阈值。有研究表明 ,能量密度阈值的高低要受其合金成分的控制及保护气体种类的影响。有专家学者做了YAG激光焊接5083 铝合金的试验。试验表明,热输入影响焊接过程的稳定性,当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时,深熔焊与传热焊交替进行,焊接过程稳定性差。可以在保证起弧功率密度前提下,采取一定的措施,通过

32、控制工艺参数来减少热输入,有助于获得稳定的焊接过程; 另外,保护气体也影响焊接过程的稳定性,采取合适比例和成分的混合保护气体并控制流量,能很好地维持稳定的焊接过程。10. 焊接缺陷及质量控制措施铝合金激光焊接的主要缺陷之一是气孔问题,气孔问题至今仍然是一个不解之谜。一般认为:激光焊接在冷却过程中氢的溶解度急剧下降形成氢气孔;低熔点、高蒸气压合金元素蒸发导致气孔;激光束引起熔池金属波动匙孔不稳定,熔池金属紊流导致气孔生成。气孔的存在,会导致焊缝的力学性能和气密性下降。有研究表明,材料表面态、保护气体种类、流量及保护方法、焊接参数和焊缝形状都影响气孔的产生,选择合适的表面处理措施,加强保护和采用高

33、功率、高速度、大离焦量(负值) 焊接时可以使气孔的产生降低到最少。热裂纹也是铝合金激光焊接时最常见的缺陷主要是焊缝结晶裂纹和HAZ 液化裂纹。铝合金激光焊接产生的结晶裂纹是由于焊缝金属结晶时在柱状晶边界形成Al2Si 或Mg2Si 、Al2Mg2 Si 等低熔点共晶导致的。激光焊接时,焊缝细,HAZ 窄,特别是脉冲激光焊接,总输入能量低,冷却速度快,液化裂纹不易产生。防止热裂纹的产生是铝合金激光焊接的关键技术之一,国内外学者在这一方面进行了大量研究工作。研究表明,调整焊缝金属成分,填加Si ,对减少裂纹有一定好处;填充材料的采用也可有效地防止焊接热裂纹,提高接头强度;此外,在脉冲点焊时,调节脉

34、冲波形,控制热输入同样可以减少结晶裂纹,如图11所示,采用此波形,使焊缝熔化凝固重复进行,以降低熔池凝固时的凝固速度。 图12 减少裂纹的脉冲波形11. 检测方法及内容1 焊接过程稳定性的检测焊接过程稳定性的实时检测是最早开始的激光焊接质量监测内容。包括对焊接模式变化、焊接过程的扰动变化检测等，一般仅能简单判断焊接质量的“ 好”与“ 坏”。其基本原理是：给定正常焊接信号的参考值%一般为信号时域幅值，也有利用信号频域特性如功率谱作为参考值，在焊接过程中实时估计检测信号与给定值之间的偏差，当偏差超出一定范围时即认为焊接过程或焊缝质量发生了变化，此时容易出现焊接缺陷!2 装配质量的检测对装配质量实时

35、检测方法可分为两类。一是在激光与材料作用前在线检测焊缝，一般采用机器视觉获取焊缝二维或三维图像，通过图像处理提取焊缝间隙、错变量以及焊缝中心位置等信息，进一步实时调整工艺参数和焊接头相对位置，以对焊接质量进行实时控制；二是在激光与材料相互作用时采集焊接过程中有关信号，通过一定的信号分析手段判断焊接发生时是否存在间隙、错变以及光束与焊缝不对中等引起的质量问题，这种检测方法一般不能用于焊接过程的实时控制。对焊接过程中的紫外信号置于不同角度和路红外信号进行检测与分析，并可通过模糊逻辑实现对光束与焊缝不对中问题的识别。3 离焦量的检测对焊接过程中离焦量的在线检测主要有两种方法：一种是利用喷嘴作为传感器

36、检测在喷嘴上的等离子体电荷信号，通过电荷信号随离焦量的变化规律实现离焦量的在线检测与闭环控制，这种方法有效的前提条件是焊接喷嘴与工件的距离唯一决定了离焦量的大小，但大多数情况下这种前提并不成立；另一种方法是通过光电传感器检测焊接过程中的光信号，在不同离焦量下分析光信号的变化特性，从而实现焦点位置的实时检测与控制，在两个位置对焊接过程中的等离子体光辐射信号进行了同步检测，分析发现等离子体光信号随离焦量的变化规律。4 焊缝熔深的检测焊缝熔深是激光深熔焊的重要质量指标，对它实时检测的研究可分为两类。一类是针对穿透激光深熔焊进行的，通过检测焊接过程的各种信号实现熔透状态的检测与识别，这方面的大多数研究

37、仅能够对未熔透和完全熔透两种熔透状态进行识别或是对熔深的稳定性进行实时监测，也有少数学者对熔透状态作了进一步的细化分类并对其实时监测技术进行了研究。5 熔池与小孔的监测焊缝质量从根本上是由熔池与小孔决定的，然而在激光深熔焊过程中由于存在强烈等离子体弧光的干扰，对直接观察熔池与小孔的状态造成了极大的障碍。随着近年来机器视觉技术的不断进步，为激光焊接熔池与小孔行为的直接观测提供了可能。6 焊缝表面形貌的检测焊缝表面形貌的检测主要指焊缝堆高和下凹的检测。焊缝都不同程度的存在一定尺寸的堆高或下凹。堆高易造成咬边，焊件在服役过程中该处容易形成应力集中而失效；而下凹除了容易形成应力集中外，还会导致强度下降

38、。因此，投入使用的激光焊件的焊缝堆高和下凹程度都必须在一定范围内。7 其他焊接缺陷的检测对于焊接深熔过程中的其他缺陷，如气孔，也有少数学者对其在线检测技术进行了研究。通过检测对焊过程的超声波信号，对气孔缺陷的识别技术进行了一定程度的研究通过采集脉冲激光点焊的熔池红外辐射信号，并结合数字模拟，对焊缝热影响区的大小进行非破坏性测量。参 考 文 献1谢兴华.激光加工技术在汽车工业生产中的应用J.激光集锦,1997,(3):1-3.2 骆红,胡伦骥,黄树槐,等. 铝合金的激光焊接J.激光技术,1998,22(2):94-97.3 朱宏,金忠华.铝及铝合金激光焊接技术的研究现状J.电子工艺技术,1997,18(4):129-132.4樊丁，余淑荣，张建斌，等.激光焊接发展现状及动向J.甘肃工业大学学报,2003,19(1):15-18 5关正中编.激光加工手册,中国计量出版社.109-116