鋁合金因其質(zhì)輕，易于成型/加工，強(qiáng)度好，一般用于汽車(chē)、航天/航空和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)。連接鋁合金面板和薄板通常使用機(jī)械鉚接、電弧焊接、釬焊、攪拌摩擦焊、激光焊接、混合激光/電弧焊接。激光焊接速度很快，熱變形小。但是，激光焊接鋁合金通常會(huì)形成大量氣孔，因此焊點(diǎn)強(qiáng)度極低——通常是母材的50%-75%。激光焊接鋁合金產(chǎn)生氣孔的原因有很多：表面污染，包括表面氧化層的氫。氫通常困在鋁合金表面的氧化層。在激光焊接過(guò)程中，氫會(huì)被釋放出來(lái)，溶解在熔體池。氫在液態(tài)鋁中的溶解度要比在固態(tài)鋁中高得多。在液態(tài)情況下，氫的溶解度是：

     S是氫在273°K和760T條件下的溶解度，T是指溫度(K)，P是指氫的分壓(1T=0.133mbar)。

從上可以看出，氫在液體鋁中的溶解度是在固體鋁中的20倍。因此，鋁合金在熔池中會(huì)吸收大量氫，在凝固過(guò)程中以氣孔的形式釋放出來(lái)。其它表面有機(jī)污染物如石油和油脂也會(huì)致使氫氣困在焊接區(qū)域。氫氣產(chǎn)生的氣孔通常較小(直徑小于0.5mm)。熔池中的氣孔會(huì)緩慢移動(dòng)。氣孔移動(dòng)速度可以通過(guò)測(cè)量得出：

     R是氣孔的半徑，Δt是其空中液體和氣體的密度區(qū)別;g是重力加速度;μ是液體的動(dòng)力粘度;t是液體的密度。對(duì)于鋁合金中直徑為50μm的氣孔來(lái)說(shuō)，其移動(dòng)速度是4-6mm/s，而液體凝固速度通常是20-50mm/s，因此氣孔難以排出。

激光匙孔。這通常出現(xiàn)在匙孔(深熔)焊接中，激光功率密度超過(guò)106W/cm2。對(duì)于焊接相對(duì)厚一些的鋁合金(大于3mm)，匙孔焊接能夠?qū)崿F(xiàn)深熔。匙孔之所以形成，是因?yàn)榧す夂附舆^(guò)程中產(chǎn)生高壓蒸汽/等離子，蒸汽脫離熔池時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈反沖壓力會(huì)生成深深的蒸汽孔。和較低功率密度傳熱激光焊接相比，這種匙孔會(huì)讓激光光束在材料的更深層面被吸收。如果鎖孔不牢固(一旦材料表面張力超過(guò)蒸汽反沖壓力，匙孔就會(huì)瓦解)或者材料凝固速度太快，蒸汽就會(huì)被困在熔化區(qū)，并形成大氣孔(一般大于0.5mm)。

(圖1：激光焊接AA6014鋁合金時(shí)激光功率、焊接速度及薄板間隙對(duì)氣孔形成的影響)

合金元素的蒸發(fā)。合金材料如鎂、錳、銅和硅等會(huì)被蒸發(fā)，困在熔化區(qū)，從而形成氣孔。這些合金元素還將改變材料表面的張力和粘度。

    有很多方法可減少激光焊接輕合金時(shí)產(chǎn)生的氣孔。例如，控制氣體噴射法，擺動(dòng)光束，雙光束焊接，以及表面清潔。使用激光功率低的傳導(dǎo)限制型激光焊接通常產(chǎn)生的氣孔較少，但是加工效率也要低一些。

本文對(duì)利用激光清潔技術(shù)來(lái)減少激光焊接中產(chǎn)生的氣孔進(jìn)行了個(gè)案研究，對(duì)象為車(chē)身用6000系合金(AA6014)或通常所說(shuō)的AC-170PX，其材料中含有0.5-0.7%的鋁，0.35%(最多)氟，0.2%的銅，和0.05-0.2%的錳。在鋁合金板成型加工過(guò)程中，鋁合金表面鍍有鈦和鋯(4mg/m2)和固體潤(rùn)滑劑，在成型加工后會(huì)殘留在材料表面。焊接工作由填充焊絲和5.3kW的碟片激光器來(lái)完成。

激光功率、速度和薄板間隙對(duì)氣孔的影響

圖1顯示了使用 AA4043(5.3%的硅)焊絲進(jìn)行角邊焊接時(shí)激光功率(2-5.3kW)、焊接速度和薄板間隙對(duì)焊接氣孔形成的影響。在不同的焊接條件下，線能量(單位長(zhǎng)度的能量)相近，但激光功率越高(速度越快)，氣孔越多。在薄板之間留下空隙能大大減少氣孔，但是氣孔數(shù)量仍然較多。這些氣孔的直徑通常小于200μm，如圖2所示。

(圖2：以5300W激光功率和50mm/s焊接速度對(duì)AA6014合金實(shí)施激光焊接時(shí)的氣孔大小分布)

焊絲對(duì)氣孔的影響

圖3顯示了3種不同焊絲對(duì)氣孔的影響：AA4043(5.2%的硅)，AA4047(12%的硅)，和 AA3004(0.3%的硅、1-1.5%的錳及0.8-1.3%的鎂)在激光焊接AA6014合金時(shí)的氣孔形成情況。硅和鎂的含量越高似乎有助于減少氣孔形成。硅增加了材料的流動(dòng)性，減少了液體階段的粘性，因此能夠減少氣孔。錳/鎂盡管更容易氣化，但能夠填補(bǔ)鋁合金中這些元素的缺失。錳和鎂會(huì)降低材料表面的張力，從而降低鎖孔瓦解的幾率。

(圖3：以5300W激光功率和50mm/s焊接速度進(jìn)行焊接時(shí)，3種不同焊絲對(duì)氣孔形成的影響)

激光清潔對(duì)氣孔的影響

激光清潔是利用納秒脈沖Nd:YAG激光器(600W)和光柵掃描(95mm/s)來(lái)移除約20μm厚的表層。圖4比較了有無(wú)進(jìn)行激光清潔情況下，激光焊接時(shí)氣孔形成的不同。很明顯，在這三種激光焊接參數(shù)條件下，激光清潔大大減少了氣孔的形成，全部將孔隙率降到了低于1%。

(圖4：激光焊接時(shí)有無(wú)使用激光清潔的氣孔水平對(duì)比圖)

應(yīng)用

上述激光清潔/焊接技術(shù)現(xiàn)已實(shí)際應(yīng)用于英國(guó)捷豹和路虎汽車(chē)制造。科學(xué)表明為將激光焊接技術(shù)引入鋁合金焊接提供了更多信心和幫助。

小結(jié)

上述研究已清楚展示了將激光清潔應(yīng)用于激光焊接鋁合金對(duì)于改進(jìn)質(zhì)量(減少氣孔)的好處，該技術(shù)業(yè)已實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。值得注意的是，盡管激光清潔在焊接薄鋁合金時(shí)對(duì)減少焊接氣孔起著關(guān)鍵作用，但在焊接厚型材鋁合金時(shí)效果不會(huì)如此明顯，因?yàn)槠錃饪仔纬傻闹饕蚴擎i孔影響，而非表面氧化物和污染物。

(責(zé)任編輯：admin)

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