張偉鋁合金車身的激光焊接工藝設(shè)計(jì)

1、鋁合金車身的激光焊接工藝設(shè)計(jì)一 前言1 激光焊接的原理： 光子轟擊金屬表面形成蒸汽，蒸發(fā)的金屬可防止剩余的金屬被金屬反射掉。如果被焊金屬有良好的導(dǎo)熱性能，則會(huì)得到較大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，本質(zhì)上是光波的電磁場與材料相互作用的結(jié)果。激光光波入射材料時(shí)，材料中的帶電粒子依著但矢量3的步調(diào)振動(dòng)，使光子的輻射能變成了電子的動(dòng)能。物質(zhì)吸收激光后，首先產(chǎn)生的是某些質(zhì)點(diǎn)的過量能量，束縛電子的激發(fā)能或者還有過量的聲子。這些原始激發(fā)能經(jīng)過一定過程再轉(zhuǎn)化為熱能。2 激光的分類：分為連續(xù)激光焊和脈沖激光焊。連續(xù)激光焊在焊接過程中形成一條連續(xù)的焊縫。脈沖激光焊接時(shí)，輸入到工件上的能量是斷續(xù)的，脈沖

2、的，每個(gè)激光脈沖在焊接過程中形成一個(gè)圓形焊點(diǎn)。3 激光焊接設(shè)備及技術(shù)參數(shù)：激光焊接設(shè)備包括：激光器、光束傳輸和聚焦系統(tǒng)、氣源、電源、工作臺(tái)和控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)包括：激光波長、最大輸出能量、重復(fù)率、脈沖寬度和激光工作物質(zhì)尺寸激光的應(yīng)用：4 在汽車車身制造方面的應(yīng)用：汽車車身是整個(gè)汽車零部件的載體，車身制造質(zhì)量的優(yōu)劣對整車質(zhì)量起著決定性的作用。在汽車車身制造方面，激光焊接成為了一種固定的成形方法，適用于量體裁衣地制造半成品。世界一些著名汽車公司，如寶馬、通用、福特、本田、豐田、菲亞特、雷諾、沃爾沃以及克萊斯勒公司等都廣泛采用了激光拼焊工藝，而且所生產(chǎn)的轎車車身均由激光拼焊板沖壓而成。在我國，武漢鋼鐵

3、公司采用激光焊接技術(shù)進(jìn)行汽車用超寬鋼板的拼接。激光拼焊是將2-3 塊精確裁剪、物理化學(xué)性能、表面狀態(tài)、厚度各不相同的板材拼焊在一起，然后再把這種半成品沖壓成車身零件。采用激光拼焊工藝獲得的焊縫質(zhì)量優(yōu)良，焊縫轉(zhuǎn)接也較為平穩(wěn)，使車身零部件的抗沖擊性和抗疲勞性得到了顯著改善?？偟恼f來，激光焊接技術(shù)在車身制造中的應(yīng)用大大減少了結(jié)構(gòu)件和零配件的數(shù)量，從而減輕了汽車質(zhì)量；提高了車身的尺寸精度和耐腐蝕能力，增加了汽車結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性；在改善車身質(zhì)量的前提下，不僅減少了裝配工作量，而且還減少了成型工具、沖壓機(jī)的工裝投資以及運(yùn)輸、儲(chǔ)存金屬材料的費(fèi)用，節(jié)約了制造成本。5 鋁合金激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及

4、5.1發(fā)展前景：由于鋁合金對激光的高反射和自身的高導(dǎo)熱性,鋁合金激光焊接對激光器的輸出功率和光束質(zhì)量要求很高。因此,鋁合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展必然與激光器的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。大功率CO2 激光器光束質(zhì)量的改善和短波長YAG激光器輸出功率的提高將大大改善鋁合金的激光焊接性 。采用雙光束或多光束激光焊接技術(shù)通過擴(kuò)大激光焊接小孔的開口,可以提高焊接過程中的穩(wěn)定性,改善焊縫成型。針對鋁合金激光焊接過程的穩(wěn)定性及焊縫質(zhì)量的問題,當(dāng)前,國際上鋁合金激光焊接的研究熱點(diǎn)是采用所謂的復(fù)合工藝,即將激光與電弧焊接結(jié)合起來。這種復(fù)合工藝早在20 世紀(jì)70 年代末就已經(jīng)提出,但因?yàn)殡娀〉囊朐黾恿撕附拥臒彷斎?從而必

5、然使焊接熱影響區(qū)和熱變形增大。因此,“激光與電弧”這種復(fù)合工藝在鋁合金的焊接方面是否具有工業(yè)應(yīng)用前景還需深入研究。最近有人發(fā)現(xiàn)在CO2 激光熔池中存在幅度為幾安培的固有電流,在焊接區(qū)施加一定的外磁場可以影響熔池的流動(dòng)狀態(tài)。因此,采用某種形式的外磁場有可能改善鋁合金激光焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量 。另外,還有人采用輔助電流的鋁合金激光焊接技術(shù)。即通過附加電極或通過填充焊絲向焊接熔池提供輔助電流,借助輔助電流在熔池中產(chǎn)生的電磁力控制熔池的流動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)熔池中熱量的重新分配,達(dá)到強(qiáng)化激光能量的有效利用率、提高加工效率之目的。同時(shí)利用輔助電流在焊接熔池中形成的磁流體效應(yīng)使熔池動(dòng)蕩不定的運(yùn)動(dòng)變得有序和可

6、控,從而改善焊接過程的穩(wěn)定性,提高焊縫質(zhì)量。通過試驗(yàn)證明 ,焊縫深度最高增加約32 % ,面積增加約20 % ,而焊縫寬度減少約28 %。這一技術(shù)很有可能在未來的鋁合金激光焊接中起到重要作用。激光焊接技術(shù)發(fā)展到今天,其逐步取代傳統(tǒng)焊接方法的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。在21 世紀(jì),激光焊接技術(shù)在材料領(lǐng)域必將起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)前,可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已成為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略,節(jié)能、環(huán)保已成為科研工作的兩大主題。因此,鋁合金成為航空、航天、汽車工業(yè)中一種非常有競爭力的材料,德國和日本等公司都已投入巨資進(jìn)行激光焊接鋁合金的研究。盡管鋁合金激光焊接技術(shù)中的工藝還不十分成熟,但存在的問題是可以解決的。隨著研究的深

7、入,鋁合金激光焊接的工藝參數(shù)將得到進(jìn)一步優(yōu)化。5.2 鋁合金焊接的特點(diǎn)鋁合金由于重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中,采用鋁合金代替鋼板材料焊接,結(jié)構(gòu)重量可減輕50 %以上。鋁合金焊接有幾大難點(diǎn): 鋁合金焊接接頭軟化嚴(yán)重,強(qiáng)度系數(shù)低,這也是阻礙鋁合金應(yīng)用的最大障礙; 鋁合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜(Al2O3 其熔點(diǎn)為2060 ) ,這就需要采用大功率密度的焊接工藝; 鋁合金焊接容易產(chǎn)生氣孔; 鋁合金焊接易產(chǎn)生熱裂紋; 線膨脹系數(shù)大,易產(chǎn)生焊接變形; 率鋁合金熱導(dǎo)大(約為鋼的4 倍) ,相同焊接速度下,熱輸入要比焊接鋼材大24 倍。

8、因此,鋁合金的焊接要求采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法。5.3 鋁合金的激光焊接鋁及鋁合金激光焊接技術(shù)(Laser Welding) 是近十幾年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),與傳統(tǒng)焊接工藝相比,它具有功能強(qiáng)、可靠性高、無需真空條件及效率高等特點(diǎn)。其功率密度大、熱輸入總量低、同等熱輸入量熔深大、熱影響區(qū)小、焊接變形小、速度高、易于工業(yè)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),特別對熱處理鋁合金有較大的應(yīng)用優(yōu)勢?？商岣呒庸に俣炔O大地降低熱輸入,從而可提高生產(chǎn)效率,改善焊接質(zhì)量。在焊接高強(qiáng)度大厚度鋁合金時(shí),傳統(tǒng)的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時(shí)形成大深度的匙孔,發(fā)生匙孔效應(yīng),則可以得到實(shí)現(xiàn)。激光焊接

9、鋁合金有以下優(yōu)點(diǎn): 能量密度高,熱輸入低,熱變形量小,熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄而熔深大; 冷卻速度高而得到微細(xì)焊縫組織,接頭性能良好; 與接觸焊相比,激光焊不用電極,所以減少了工時(shí)和成本; 不需要電子束焊時(shí)的真空氣氛,且保護(hù)氣和壓力可選擇,被焊工件的形狀不受電磁影響,不產(chǎn)生X 射線; 可對密閉透明物體內(nèi)部金屬材料進(jìn)行焊接; 激光可用光導(dǎo)纖維進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸,從而使工藝適應(yīng)性好,配合計(jì)算機(jī)和機(jī)械手,可實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)化與精密控制?，F(xiàn)在應(yīng)用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器,CO2 激光器功率大,對于要求大功率的厚板焊接比較適合。但鋁合金表面對CO2 激光束的吸收率比較小,在焊接過程中造成大量的能

10、量失。YAG激光一般功率比較小,鋁合金表面對YAG激光束的吸收率相對CO2激光較大,可用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo),適應(yīng)性強(qiáng),工藝安排簡單等。因此采用YAG激光器焊接。在焊接大厚度鋁合金時(shí),傳統(tǒng)的焊接方法根本不可能單道焊透,而激光深熔焊時(shí)形成大深度的匙孔,發(fā)生匙孔效應(yīng),則可以得到實(shí)現(xiàn)。圖1激光焊接時(shí)的小孔形狀。圖2為激光深熔焊示意圖 。 圖1激光焊接時(shí)的小孔 圖2 激光深熔化焊 鋁及鋁合金的激光焊接難點(diǎn)在于鋁及鋁合金對輻射能的吸收很弱,對CO2 激光束(波長為10. 6m) 表面初始吸收率1. 7 %;對YAG激光束(波長為1. 06 m)吸收率接近5%。圖3 為不同金屬對激光的吸吸收率小,熱收率。由于導(dǎo)率

11、高,在實(shí)際鋁合金焊接過程中,一定要保證良好的光束聚焦,同時(shí)還要用高功率密度的高能激光束進(jìn)行照射。鋁合金激光焊接時(shí),產(chǎn)生深熔焊,激光功率必須達(dá)到一個(gè)特定的閾值,這就對激光器提出一定的要求,也是激光焊接的一個(gè)難點(diǎn)。鋁合金的電離能低,部分牌號焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴(kuò)散,焊接穩(wěn)定性差。焊接鋁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。鋁合金又是典型的共晶合金, 在激光焊接的快速凝固過程中更容易產(chǎn)生熱裂紋。激光焊接熔池深寬比大,氣泡不易上浮析出,容易產(chǎn)生氣孔。液態(tài)鋁合金的流動(dòng)性好,表面張力低,焊接過程的不穩(wěn)定造成焊接熔池劇烈震蕩,易產(chǎn)生咬邊、成形不連續(xù),嚴(yán)重時(shí)造成焊接過程中的小孔突然閉

12、合而在焊縫中產(chǎn)生直徑較大的工藝孔洞(Process Holes) ,或小孔在閉合前由向外噴發(fā)的等離子體將液態(tài)金屬吹出熔池而形成所謂的噴射孔洞。 圖3不同金屬對激光的吸收率5.4 YAG激光焊接  激光焊接是利用激光束優(yōu)異的方向性和高功率密度等特點(diǎn)進(jìn)行工作。通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。     常用的激光焊接方式有兩種：脈沖激光焊和連續(xù)激光焊。前者主要用于單點(diǎn)固定連續(xù)和薄件材料的焊接。后者主要用于大厚件的焊接和切割。    

13、 l、激光焊接加工方法的特征     A、非接觸加工，不需對工件加壓和進(jìn)行表面處理。     B、焊點(diǎn)小、能量密度高、適合于高速加工。     C、短時(shí)間焊接，既對外界無熱影響，又對材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合加工高熔點(diǎn)、高硬度、特種材料。     D、不需要填充金屬、不需要真空環(huán)境（可在空氣中直接進(jìn)行）、不會(huì)像電子束那樣在空氣中產(chǎn)生X射線的危險(xiǎn)。     E、與接觸焊工藝相比無電極、工具等的磨損消耗。   

14、0; F、無加工噪音，對環(huán)境無污染。     G、微小工件也可加工。此外，還可通過透明材料的壁進(jìn)行焊接。     H、可通過光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)到的部位、多路同時(shí)或分時(shí)焊接。     I、很容易改變激光輸出焦距及焊點(diǎn)位置。     J、很容易搭載到自動(dòng)機(jī)、機(jī)器人裝置上。     K、對帶絕緣層的導(dǎo)體可直接進(jìn)行焊接，對性能相差較大的異種金屬也可焊接。二 焊接工藝：1.縫材料的要求和鋼-鋁激光焊焊接材料的選擇1.1對焊縫材料的要求:1.防銹

15、性能穩(wěn)定；2.較好的延展性；3.與鋼材很好的潤濕性；4鋼材和焊縫材料有很好的連接性；5.鋁材和焊縫材料有很好的可混性。1.2 鋼-鋁激光焊焊接材料的選擇很多元素都與鋼材有很好的潤濕性，如Cu,Ni,Co,V,Ca,Ag,As和Au等， 所以關(guān)鍵是看與鋁材的潤濕性。圖1所示為與鋼、鋁有很好連接性的金屬，從圖中相交位置發(fā)現(xiàn)像Cr,Mn,Zn,Si和Ag這些金屬與鋼、鋁的連接性都很好。對鍍鋅鋼板和鋁合金的連接， 應(yīng)最先考慮鋅基的焊接材料。鋅基合金可用來制作填絲，以得到很好的焊縫材料。對鋅鋁合金而言，最好的材料性能可在ZnAl6ZnAL22.3之間獲得，對相近的ZnAl5而言，可得到富Al的混合晶體，

16、 而ZnAl22可得到富Al的混合晶體。由于連接時(shí)部分鋁材會(huì)熔化，考慮將ZnAl2作為填絲， 以得到ZnAl6ZnAl22.3之間的焊縫材料。圖4 鋼、鋁有很好連接性的金屬其他合金元素（如Mg） 可以提高鋅鋁合金的抗腐蝕性能，因此在合金中w（Mg）可為0.05%。Cu通過混合晶體的生成可以提高強(qiáng)度和蠕變特性， 也對抗腐蝕性能有改善作用。w（Ag）1%5%可以改善ZnAl合金的可變形性能。Bi能增加ZnAl合金的潤濕性。在此將研究ZnAl， ZnAlAg， ZnAlBi，ZnAlCu,這些合金的性能和以它們作為焊絲得到的焊縫材料的性能。2. 鋼-鋁薄板激光焊接的過程母材中鍍鋅鋼板采用DX56D+

17、Z， 鋁板采用AA6016（）或其改進(jìn)的材料品種AC120PX，在T4狀態(tài)下即未經(jīng)過熱處理的狀態(tài)下的力學(xué)性能測試結(jié)果如圖!所示。疊接構(gòu)件尺寸如圖4所示，其中鋼板厚0.9mm，鋁板厚1.1mm。圖5 鋼板鋁板ZnAl5的力學(xué)性能 圖6 鋼板鋁板疊接的構(gòu)件尺寸圖3 Zn基合金材料的性能測定3.1 ZnAl合金的性能各種ZnAl合金由Zn和Al混合而成，它們的維氏硬度及抗拉強(qiáng)度、伸長率如圖7,圖8示所： 圖7 ZnAl合金的硬度圖8 合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率3.2 ZnAl合金的力學(xué)性能ZnAl2合金由ZnAl2熔化后加入Ag，Bi制成，其力學(xué)性能見表1表1 合金的力學(xué)性能3.3 ZnAl4合金的力學(xué)

18、性能ZnAl4合金由ZnAl4熔化后加入Cu制成，力學(xué)性能見表2表2 ZnAl4合金的力學(xué)性能3.4 ZnAl20合金的力學(xué)性能ZnAl20合金由ZnAl20熔化后加入Ag，Bi制成，力學(xué)性能見表3表3 ZnAl20合金的力學(xué)性能4. ZnAl基合金焊縫材料的性能測定4.1 ZnAl基合金焊縫材料的成分與性能ZnAl基合金作為焊絲， 激光焊接后形成的焊縫材料的成分、接頭力學(xué)性能見表0。針對焊縫材料測出硬度，對整個(gè)焊接后的接頭（長230mm，寬200mm）測出最大拉力和軸向拉伸變形。以下ZnAl2，ZnAl4，ZnAl20合金焊縫材料的力學(xué)性能測試與此相同表4 ZnAl基合金焊縫材料的成分（質(zhì)量

19、分?jǐn)?shù)）（%）及力學(xué)性能4.2 ZnAl2基合金焊縫材料的成分與性能ZnAl2基合金分別添加Ag，Bi作焊絲，激光焊接后形成的焊縫材料成分及接頭力學(xué)性能見表5表5 ZnAl2基合金焊縫材料的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）及力學(xué)性能4.3 ZnAl4基合金焊縫材料ZnAl4基合金添加Cu作為焊絲，激光焊接后形成的焊縫材料的接頭力學(xué)性能見表6表6 ZnAl4基合金焊縫材料的力學(xué)性能4.4 ZnAl20基合金焊縫材料ZnAl20基合金添加Ag，Bi作焊絲，激光焊接后形成的焊縫材料成分及接頭力學(xué)性能見表7表7 ZnAl20基合金焊縫材料的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）及力學(xué)性能數(shù)據(jù)顯示，ZnAl2作為焊絲，所得焊縫材料

20、性能最佳，最大拉力為8.8KN，軸向伸長6.7MM（1） 鋅鋁2種金屬的合金隨鋁含量增加， 其強(qiáng)度增加，ZnAl20的塑性最好。Ag，Cu，Bi能增加鋅鋁合金的硬度。在ZnAl2合金中加入Ag能增加抗拉強(qiáng)度，而在ZnAl2合金中加入Ag則效果不明顯。Cu的加入能提高合金的強(qiáng)度，但伸長率減小，塑性變差。在ZnAl2合金中Bi的加入對強(qiáng)度、塑性都不好。ZnAl2合金加入w（Bi）0.5%，對強(qiáng)度影響不大，但塑性大大減少。（2）由鋅鋁合金作為焊絲，采用Nd:YAG激光束連接鋼板和鋁板（疊接）時(shí)，ZnAl2焊絲得到的焊縫材料抗拉強(qiáng)度和塑性最好。ZnAl4Cu作為焊絲所得的焊縫材料與ZnAl4的相比,強(qiáng)

21、度、塑性都差不多， 但硬度提高。加入Ag能使硬度加大，但降低了強(qiáng)度與塑性。Bi的加入一般能使硬度加大，但塑性大大降低。建議在本文情況下，采用ZnAl2作為焊絲，不用添加Ag，Cu，Bi。表3為試驗(yàn)獲得的力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從表中可看出，焊縫和熱影響區(qū)的硬度都比母材高， 焊縫中心的硬度最高， 隨著兩側(cè)與焊縫中心的距離增大， 硬度呈拋物線下降， 至母材后趨于穩(wěn)定。表8試驗(yàn)獲得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)焊縫斷口微觀形貌表現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征。斷口部位呈現(xiàn)出許多尺寸不均勻的一次相， 韌窩底部還有近似平行的條紋，這是由六方馬氏體只有/個(gè)滑移系和其特定的晶體學(xué)關(guān)系決定的。（1）Ti-6Al-4V合金熱影響區(qū)的晶粒略有

22、粗大，其焊縫組織是由粗大的原始相轉(zhuǎn)變而成的片狀或長針狀相。（2）Ti-6Al-4V合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度比母材高，斷口形貌表現(xiàn)為塑性斷裂特征。（3）Ti-6Al-4V合金焊接接頭的硬度比母材略高，且由焊縫中心向母材過渡呈拋物線狀下降。5. 焊接結(jié)構(gòu)與焊縫組織： 圖9 焊接部位為提高鋁及鋁合金對激光的吸收率，進(jìn)行了表面化學(xué)改性、表面鍍層、表面涂層及復(fù)合激光焊等研究。將連續(xù)電弧與脈沖激光束復(fù)合，能夠消除焊縫區(qū)的凝固裂紋. 激光焊鋁及鋁合金質(zhì)量控制系統(tǒng)采用多參數(shù)的線性回歸方法預(yù)測鋁及鋁合金激光焊接時(shí)熔核直徑、形狀及噴濺情況。 研究各個(gè)工藝參數(shù)之間的關(guān)系以及它們對激光焊接質(zhì)量的影響，找出焊接不同厚度的

23、鋁及鋁合金的最佳工藝。對鋁合金激光焊接接頭本身性能進(jìn)行了研究。例如，鋁合金進(jìn)行了混合氣和焊劑的激光焊的研究，使焊縫強(qiáng)度可達(dá)到母材的90%.焊接設(shè)備為Rofin Sinar激光有限公司生產(chǎn)的YAG-DY044激光焊機(jī)， 最大功率2.5KW。激光焊焊接參數(shù)見下表：6. 控制參數(shù)：6.1 離焦量離焦量指焦點(diǎn)偏離工件的距離,實(shí)質(zhì)是改變輻射到工件表面的功率密度,但起作用不止如此。離焦的方式有兩種:焦平面位于工件上方為正離焦,反之為負(fù)離焦。離焦量的大小,影響材料表面熔化斑點(diǎn)的直徑及熔池的徑深比。雖然正負(fù)離焦量大小相等時(shí),工件表面的功率密度相等,但一般來說負(fù)離焦量時(shí)工件內(nèi)部功率密度大于表面處,焦點(diǎn)處的高能量

24、密度完全用于熔化母材,因此可獲得更大的熔深,另外焦點(diǎn)位置小于零,工件與噴嘴端部較近,保護(hù)氣因流動(dòng)路徑的縮短而挺度增加,有利于進(jìn)一步消除等離子體。為了增加熔深,焊接過程中一般都采用負(fù)離焦,由于不同的激光器光束質(zhì)量不一樣,焊接過程中對離焦量的要求也不一樣。本文中采用300mm 的焦距的銅鏡,激光器光斑直徑在焦點(diǎn)處僅有0. 26mm ,在焦點(diǎn)處的激光功率密度達(dá)到5. 2 ×106W/ cm2 ,添加電弧后由于在激光的引導(dǎo)下電弧能夠到達(dá)激光小孔,焦點(diǎn)處的能量密度進(jìn)一步提高。如果繼續(xù)采用負(fù)離焦,焦點(diǎn)處的高能密度全部用來熔化母材,將會(huì)形成大量的金屬蒸汽,噴射出的金屬蒸汽能夠吸收激光能量,造成等離

25、子體屏蔽激光,使焊接過程不穩(wěn)定,反而使熔深減少.激光功率為1. 5kW ,送絲速度為1. 3m/ min .6.2 焊接速度提高焊接速度,雖然能夠穩(wěn)定激光小孔,但是熱輸入下降,焊縫熔深會(huì)有減少,而且焊接速度過大,熔滴過渡不穩(wěn)定,容易引起熔池的不穩(wěn)定;降低焊接速度可加大熔深,但若焊接速度過低,熔深卻不會(huì)增加,反而使熔寬增大,而且將會(huì)使焊接過程不穩(wěn)定容易造成飛濺,因?yàn)閺?fù)合焊維持小孔存在的主要?jiǎng)恿κ墙饘僬羝姆礇_壓力。在焊接速度低到一定程度后,熱輸入增加,熔化金屬越來越多,當(dāng)金屬蒸汽所產(chǎn)生的反沖壓力不足以維持小孔的存在時(shí),小孔不僅不再加深,甚至?xí)罎?因而熔深不會(huì)增大。所以,對一定激光功率和一定厚度

26、的某特定材料都有一個(gè)合適的焊接速度范圍,并在其中相應(yīng)速度值時(shí)可獲得最大熔深。不同焊接速度下的等離子體形態(tài)可以看到:在焊接速度為1.2m/ Min 時(shí)熔滴過渡不是穩(wěn)定的射滴過渡; 在焊接速度為0.8m/ Min 時(shí),沒有觀察到小孔的存在,激光小孔由于不能夠維持自身的平衡,發(fā)生坍塌。在焊接速度為1 時(shí),熔滴過渡和激光小孔都很穩(wěn)定。焊接速度對復(fù)合焊熔深、熔寬以及深寬比的影響。激光功率為1. 5kW ,送絲速度為1. 3m/min ,離焦量為+ 3mm ,DL A 為+ 2mm。6.3 激光傾斜角度激光功率為1. 5kW ,送絲速度為1. 3 ,離焦量為+2mm ,DL A 為+ 2mm ,焊接速度為

27、1.2 m/ min 。采用激光傾斜一定角度可以防止反射回來的光損傷光鏡,其次激光傾斜一定的角度可以減少等離子體對激光能量的吸收,從而可以提高激光能量的利用率,因?yàn)楹附舆^程中形成的等離子體一般上浮于焊縫表面,激光垂直入射等離子體對激光的吸收散射將比較大,減弱激光的利用率;傾斜一定角度,激光穿透等離子層的深度就會(huì)減少。但是激光的傾斜角度又不能過大,過大的角度將會(huì)使激光直接作用在焊縫的熔融金屬上,熔深反而會(huì)減少。6.4 機(jī)器人姿態(tài)的控制焊縫走向及位置為機(jī)器人姿態(tài)控制的難點(diǎn),很容易造成機(jī)器人行走時(shí)的抖動(dòng),從而影響送絲的不穩(wěn)定性,直接導(dǎo)致假焊、焊料堆積、縮孔和其它焊接缺陷。 這需要通過以下兩方面的對策

28、來加以解決。一是合理調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù),主要是指送絲速度,需要根據(jù)實(shí)際情況,在不同的焊縫段適時(shí)加以調(diào)整。比如根據(jù)位置的送絲速度是不同的,在幾個(gè)拐角處均需降低送絲速度以防止焊料堆積(焊縫突起) ;需加快送絲速度以使焊料充分鋪展浸潤至焊縫中,達(dá)到較好的連接效果。二是控制好機(jī)器人的行走姿態(tài)。必須反復(fù)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài),使機(jī)器人平穩(wěn)順滑地行走。一般說來,在每個(gè)頂點(diǎn)處需設(shè)置三個(gè)編程點(diǎn),以直線插值方式控制機(jī)器人的行走軌跡。另外,當(dāng)機(jī)器人每一點(diǎn)的行走“精度圓( Genau) ”設(shè)置為6mm時(shí),可以使機(jī)器人行走得更加平穩(wěn)。對于上下坡時(shí)的送絲速度,也需要進(jìn)行適當(dāng)增加或減小,以防止焊料堆積或浸潤不足。同時(shí),通過控制機(jī)

29、器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),來達(dá)到不同的傾角,以確定機(jī)器人的姿態(tài)。主要指機(jī)器人頭部所帶的ALO 聚焦鏡頭在三個(gè)方向上的角度,即前后傾角,側(cè)向角度和扭轉(zhuǎn)角度。這些角度主要影響了送絲的方向和焊絲熔化時(shí)的流向,因此可以明顯地影響焊縫的成型并造成各種各樣的焊接缺陷,如假焊或單邊焊、縮孔、焊縫過度凹陷、焊料堆積等。在焊接過程中,需要根據(jù)焊接結(jié)果隨時(shí)對機(jī)器人的姿態(tài)加以調(diào)整,來不斷改善焊縫成型。7. 全自動(dòng)激光焊接線主要工藝流程：拆垛上料夾緊定位激光焊接焊縫檢測打淺坑堆垛。8. 激光焊接輔助設(shè)備-機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)：機(jī)器人按照在焊裝車間的用途可以分為:點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、螺柱焊機(jī)器人、裝配及持件機(jī)器人和激光

30、焊接機(jī)器人。激光焊接機(jī)器人是由機(jī)器人操縱激光加工鏡組，進(jìn)行激光焊接，激光源可以采用CO2 激光器或者YAG 激光器，激光焊接設(shè)備非常復(fù)雜，要求機(jī)器人重復(fù)精度高。 圖10 生產(chǎn)線三維布置圖9. 鋁合金激光焊接的工藝特性及難點(diǎn)9.1光束反射及改善方法：鋁合金激光焊的難點(diǎn)之一就是鋁合金對激光的高反射,國內(nèi)外學(xué)者針對這一問題已作了大量試驗(yàn)研究。研究表明 ,進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理如砂紙打磨、表面化學(xué)浸蝕、表面鍍、石墨涂層、空氣爐中氧化等可以降低光束反射,改善對光束能量的吸收。文獻(xiàn)中作者經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,3 mm 厚的表面形成氧化膜的A6063 鋁合金, 比1 mm 厚的表面光潔的A6063 鋁合金的吸收率顯著增

31、大;C A Huntington 等人在文獻(xiàn)中詳細(xì)研究了鋁在原始表面(銑、車加工后) 、噴砂(300 目砂紙) 、電解拋光和陽極氧化4種表面狀況下對入射光束能量的吸收情況,得出結(jié)論:陽極氧化和噴砂處理可以顯著地提高鋁對光束能量的吸收。他們同時(shí)研究了接頭坡口幾何形狀對光束吸收率的影響,指出:尖V 形坡口接頭比無坡口或方坡口接頭的吸收率要高得多。另外,有人從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮,通過合理設(shè)計(jì)焊接縫隙,也可以增加鋁合金表面對激光能量的吸收(如圖10所示) 。其原因是V 形坡口或采用圖10結(jié)構(gòu)相當(dāng)于人工制孔,有利于小孔效應(yīng)的形成,可獲得較大的熔深。圖11 改變工件焊縫的幾何形狀 9.2小孔的“誘導(dǎo)”及

32、穩(wěn)定性小孔的“誘導(dǎo)”及穩(wěn)定性是鋁合金激光焊接中的特有困難,這是由鋁合金的材料特性和激光的光學(xué)特性造成的。由于鋁合金對激光的高反射率和高導(dǎo)熱性,要想誘導(dǎo)出小孔,就必須有更高的能量密度閾值。有研究表明 ,能量密度閾值的高低要受其合金成分的控制及保護(hù)氣體種類的影響。有專家學(xué)者做了YAG激光焊接5083 鋁合金的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,熱輸入影響焊接過程的穩(wěn)定性,當(dāng)激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時(shí),深熔焊與傳熱焊交替進(jìn)行,焊接過程穩(wěn)定性差?？梢栽诒ＷC起弧功率密度前提下,采取一定的措施,通過控制工藝參數(shù)來減少熱輸入,有助于獲得穩(wěn)定的焊接過程; 另外,保護(hù)氣體也影響焊接過程的穩(wěn)定性,采取合適比例和成分的混

33、合保護(hù)氣體并控制流量,能很好地維持穩(wěn)定的焊接過程。10. 焊接缺陷及質(zhì)量控制措施鋁合金激光焊接的主要缺陷之一是氣孔問題,氣孔問題至今仍然是一個(gè)不解之謎。一般認(rèn)為:激光焊接在冷卻過程中氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔;低熔點(diǎn)、高蒸氣壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔;激光束引起熔池金屬波動(dòng)匙孔不穩(wěn)定,熔池金屬紊流導(dǎo)致氣孔生成。氣孔的存在,會(huì)導(dǎo)致焊縫的力學(xué)性能和氣密性下降。有研究表明,材料表面態(tài)、保護(hù)氣體種類、流量及保護(hù)方法、焊接參數(shù)和焊縫形狀都影響氣孔的產(chǎn)生,選擇合適的表面處理措施,加強(qiáng)保護(hù)和采用高功率、高速度、大離焦量(負(fù)值) 焊接時(shí)可以使氣孔的產(chǎn)生降低到最少。熱裂紋也是鋁合金激光焊接時(shí)最常見的缺陷主要是焊縫

34、結(jié)晶裂紋和HAZ 液化裂紋。鋁合金激光焊接產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋是由于焊縫金屬結(jié)晶時(shí)在柱狀晶邊界形成Al2Si 或Mg2Si 、Al2Mg2 Si 等低熔點(diǎn)共晶導(dǎo)致的。激光焊接時(shí),焊縫細(xì),HAZ 窄,特別是脈沖激光焊接,總輸入能量低,冷卻速度快,液化裂紋不易產(chǎn)生。防止熱裂紋的產(chǎn)生是鋁合金激光焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一,國內(nèi)外學(xué)者在這一方面進(jìn)行了大量研究工作。研究表明,調(diào)整焊縫金屬成分,填加Si ,對減少裂紋有一定好處;填充材料的采用也可有效地防止焊接熱裂紋,提高接頭強(qiáng)度;此外,在脈沖點(diǎn)焊時(shí),調(diào)節(jié)脈沖波形,控制熱輸入同樣可以減少結(jié)晶裂紋,如圖11所示,采用此波形,使焊縫熔化凝固重復(fù)進(jìn)行,以降低熔池凝固時(shí)的凝固速

35、度。 圖12 減少裂紋的脈沖波形11. 檢測方法及內(nèi)容1 焊接過程穩(wěn)定性的檢測焊接過程穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)檢測是最早開始的激光焊接質(zhì)量監(jiān)測內(nèi)容。包括對焊接模式變化、焊接過程的擾動(dòng)變化檢測等，一般僅能簡單判斷焊接質(zhì)量的“ 好”與“ 壞”。其基本原理是：給定正常焊接信號的參考值%一般為信號時(shí)域幅值，也有利用信號頻域特性如功率譜作為參考值，在焊接過程中實(shí)時(shí)估計(jì)檢測信號與給定值之間的偏差，當(dāng)偏差超出一定范圍時(shí)即認(rèn)為焊接過程或焊縫質(zhì)量發(fā)生了變化，此時(shí)容易出現(xiàn)焊接缺陷!2 裝配質(zhì)量的檢測對裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測方法可分為兩類。一是在激光與材料作用前在線檢測焊縫，一般采用機(jī)器視覺獲取焊縫二維或三維圖像，通過圖像處理提取焊縫間隙、錯(cuò)變量以及焊縫中心位置等信息，進(jìn)一步實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)和焊接頭相對位置，以對焊接質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；二是在激光與材料相互作用時(shí)采