1、目录引言11 铝及铝合金 12 铝合金激光焊接 22.1 CO2激光器及激光焊接32.1.1 CO2激光器32.1.2 铝合金 CO2激光焊接光致等离子体行为的特点 42.1.3 co2激光焊飞溅42.2 YAG激光焊器52.2.2 YAG激光焊接优点及应用62.3 光纤激光器及激光焊接62.4 激光复合焊73 铝合金焊接性及缺陷83.1铝合金激光焊接的吸收率问题103.2焊接工艺参数对铝合金激光焊接焊缝质量的影响 6.4焊缝组织及性能113.3铝合金的激光焊接性11结束语12致谢13参考文献14内蒙古工业大学本科科研训练论文1引言铝合金具有高强度、高模量、和高疲劳强度，以及良好的的断裂韧性和
2、较低的裂纹扩散率，同时还具有优良的成形工艺和良好的抗腐蚀性。因此被广泛应用于各种焊接机构和产品中，传统铝合金焊接一般采用 TIG焊或 MIG焊工艺，但所有面临的的主要问题是焊接过程中较大的热输入使铝合金板变形大，焊接速度慢，生产效率低，由于焊接变形大，随后的矫正工作往往浪费大量的时间，增加了制造成本，影响了生产效率和制造质量。而焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点，使其在铝合金焊接领域受到格外的重视、铝合金焊接的主要难点在于：（1）铝合金对激光束的初始反射率及其本身的高导热性，使铝合金在末熔化前对激光的吸收率很低， “小孔”的诱导比较困难。（2）铝的电离能低，焊接
3、过程中光致等离子易于过热和扩展，使得焊接稳定性差。（3）铝合金激光焊接过程中易产生气孔和热裂纹。（4）焊接过程中合金元素的烧损，使铝合金焊接接头的力学性能下降。在我国由于受大功率激光器限制，激光焊接工艺研究比国外起步晚，关于铝合金激光焊接的研究远远落后于发达国家。在国外，日本在这方面的研究比较成熟，人们研究的侧重点是主要是铝合金激光焊接的熔化特性、气孔和裂纹的成因机理、焊接缺陷对力学性能的影响及激光焊接铝合金的等离子现象等等1 铝及铝合金铝及铝合金具有密度小，比较高强度和良好的耐磨性、导电性、导热性、以及在低温度下能保持良好的力学性能等特点，广泛应用于航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防
4、等工业部门。铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成难熔氧化膜，加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。由于氧化膜密度与铝的密度合金接近，也易成为焊缝金属的夹杂物。与钨极氩弧焊或熔化氩弧焊相比，激光焊铝合金的速度快、焊缝窄、热应变小、搭接接缝减少、可大大降低重量。内蒙古工业大学本科科研训练论文2因此很多科学工作者开始探讨对铝合金进行激光焊接的可能性。铝及铝合金具有较好的冷热加工性能和焊接性，可以采用常规的熔焊方法进行焊接。常规的焊接方法有氩弧焊。等离子弧焊、电阻焊和电子束焊等。也可以采用冷压焊。超声波焊。钎焊等。热功率大。能量集中和保护效果好的焊接方法对铝合金的焊接较为合适。气焊和电弧
5、焊在铝合金焊接中易被氩弧焊取代，仅用于修复和焊接不重要的焊接结构。铝及铝合金的焊丝分为同质材料和异种材料焊丝两大类。为了得到性能良好的焊接接头，应根据焊接构件使用要求，选择适合于母材的焊丝作为填充材料。2 激光焊接图一 激光焊接示意图激光焊接与其他传统的焊接相比，激光焊接主要的优点是速度快、深度大、变形小，可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。同时，激光焊接也存在着一定的局限性，要求焊接装备精度，且要求光束在工件上的位置能有显着偏移。激光器及其相关系系统的成本较高，一次性投资较大。激光焊接技术的进展主要是美国在 Bender造船有限公司成功完成了激光焊接系统焊接船体平面分段
6、的实验。美国海军已采用激光技术用于军船制造，德国已大量采用大功率激光用于潜艇结构件或零件，以及那些需要以更清洁的方式来熔接的复杂部件，例如含有线路板的塑料制品、医疗设备等。在汽车工业中，激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零部件，激光焊接还可以将塑料薄膜焊接在一起，操作过程可以完成的非常开。 1内蒙古工业大学本科科研训练论文3目前激光焊接应用领域的扩大，主要应用于：制造业应用、粉末冶金领域、汽车工业、电子工业、生物医学、塑料激光焊接应用、新材料激活激光焊接应用、航空航天工业、造船工业、其他领域等激光焊接。 1焊接用的激光器主要有三大类：YAG 激光器、CO2 激光器、光纤激光器。YAG 激光器的
7、平均输出功率较低，不适合厚板与高速焊接；单输出波长短有利于激光的聚焦和光纤传输，也利于金属表面接收。CO2 激光焊器目前广泛应用于工业生产中，功率输出大；不足主要出现在其波长相对较长，在铝合金焊接中表面反射较为严重，激光利用率很低。光纤激光器作为新型激光器，其集合了 YAG激光器波长短、CO2激光器大功率特点，解决了原来激光焊接功率小或反射严重的不足，同时激光复合焊的出现进一步提高了铝合金的焊接接头的综合性能。然而，由于铝合金的特殊性质，该焊接也存在着很多问题。主要表现在：1 铝合金对激光有极高的表面初始反射率，造成激光在母材未熔化时吸收很差，效率很低；2 激光焊接焊缝冷却速度快，熔池存在时间
8、很短，导致气体不易析出，易产生气孔；3 由于熔池深而窄，脉冲激光突发功率大，强大的蒸汽通过很窄的液体产生很大的飞溅；4 焊缝太窄使跟踪、对中很困难，对接头准备、焊接位置及焊接厚度等要求较严格；5 焊缝金属结晶时，容易产生低熔点共晶，从而形成结晶裂纹；6 激光焊接烧损铝合金中的 Mg、Zn 等低熔点合金元素，破坏合金强化作用，严格降低焊缝强度。 2以下将对近几年铝合金激光焊接方面的研究进展进行较为详细的论述。2.1 CO2激光器及激光焊接2.1.1CO2 激光器与其它气体激光器一样，CO2 激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态
9、；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。CO分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO有三种不同的振动方式：二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方内蒙古工业大学本科科研训练论文4
10、向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。 32.1.2 铝合金 CO2 激光焊接光致等离子体行为的特点在 CO2 激光深熔焊接过程中, 金属材料在高功率密度( 105 Wcm2 ) 激光的辐照下, 强烈汽化形成金属蒸气。处于激光照射区的金属蒸气能够增强材料对激光的吸收作用, 使其温度进一步升高而电离形成等离子体。当等离子体对材料的反冲压力达到一定临界值时, 将克服表面张力、熔池液体静压力和动压力形成深熔小孔。然而,
11、在激光入射能量 ! 深熔小孔! 光致等离子体之间, 存在着极为复杂的相互制约关系, 只有当三者达到一个动态平衡状态时才能够维持激光深熔焊接过程稳定进行。 4与钢铁材料的 CO2激光焊接比由于铝合金的合金元素量多，且多含有易挥发、易电离的合金元素，如 Mg。Zn 等，因此焊接时的等离子体更易于过热和扩展，等离子更不稳定，几何形状和粒子特性随时间剧烈变化。下图为 45号刚和 6061铝合金的CO2激光焊接过程中有高速摄像装置拍摄到的光致等离子图像。可看出 6061铝合金的 CO2激光焊接光致等离子体的亮度、体积、体积随时间的变化程度及产生的液态金属飞溅均要大于 45号钢焊接产生的光致等离子体。因此
12、，在铝合金焊接过程中，由于光致等离子体的稳定性较差，能否有效的控制光致等离子体以维持等离子体处于相对宏观稳定状态，直接决定了焊缝的表面形成及深熔焊接过程中的稳定程度。3图二 45 号钢和铝合金 CO2激光焊光致内蒙古工业大学本科科研训练论文5等离子体对比2.1.3 CO2 激光焊飞溅铝合金深熔焊飞溅向熔池外迅速扩散，易污染聚焦反射镜，导致聚焦焦点位置变化、聚焦特性改变、焊接能量损失等问题，影响焊接质量， 此外焊接飞溅的特性一定程度能反映激光焊接过程的特性，如焊接熔池波动、焊接过程稳定性。铝合金材料容易吸收波长较短的光纤激光器的能量，相比于 CO2激光焊，光纤激光焊接过程中铝合金吸收更多的能量，
13、飞溅颗粒运动速度相对更快 从而由于光纤激光焊接过程中飞溅颗粒运动速度过快，高速摄像视场有限，使得捕获飞溅运动形态不完全，造成速度数据样本误差，从而飞溅速度拟合优度相对较差 此外焊接飞溅速度与飞溅尺寸密切相关，飞溅尺寸越小，质量越轻，在一定能量下，运动速度相对越快，即 CO2激光焊飞溅尺寸大于光纤激光焊飞溅尺寸，且 CO2激光焊飞溅运动速度小于光纤激光焊飞溅运动速度。 52.2YAG 激光焊2.2.1 YAG 激光焊接发展及原理YAG激光焊接是用高能脉冲激光对工件实施焊接，它以脉冲氙灯作为泵浦源，以ND：YAG 作为产生激光工作物质。激光电源首先将脉冲氙灯预燃，通过激光电源对脉冲氙灯放电，使氙灯
14、产生一定频率和脉宽的光波，光波经聚光腔照射 ND：YAG 激光晶体，从而激发 ND：YAG 激光晶体产生激光，再经过谐振腔后产生波长为 1064nm的脉冲激光，激光经过扩束、反射（或经过光纤传输） 、聚焦后辐射至工件表面，使工件局部熔化实现焊接。焊接时所需要的脉冲激光的频率、脉宽、工作台移动速度、移动方向均可用 PLC或工业 PC机来控制，并通过调节电流的大小、激光的频率、脉宽来控制激光能量的大小。激光焊接是激光材料加工用的机器，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机） 、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行
15、微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。 620世纪 70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。高功率 CO2及高功率 YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以内蒙古工业大学本科科研训练论文6小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域
16、内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。它是一种新型的焊接方式，主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。2.2.2 YAG 激光焊接优点及应用1：高的深宽比。焊缝深而窄，焊缝光亮美观。2：由于功率密度高，熔化过程极快，输入工件热量很低，焊接速度快，热变形小，热影响区小。3：高致密性。焊缝生成过程中，熔池不断搅拌，气体逸出，生成无气孔熔透焊缝。焊后高的冷却速度
17、易使焊缝组织微细化，焊缝强度、韧性和综合性能高。4：强固焊缝。高温热源和对非金属组份的充分吸收产生纯化作用，降低了杂质含量，改变了夹杂尺寸和其在熔池中的分布，焊接过程中无需电极或填充焊丝，熔化区受污染小，使焊缝强度、韧性相当于甚至超过母体金属。5：精确控制。因为聚焦光斑很小，焊缝可以高精度定位，光束容易传输与控制，不需要经常更换焊炬、喷咀，显著减少停机辅助时间，生产效率高。光无惯性，还可以在高速下急停和重新启始。用自控光束移动技术则可焊复杂构件。6：非接触、大气环境焊接。因为能量来自激光，工件无物理接触，因此没有力施加于工件。磁和空气对激光都无影响。7：由于平均热输入低，加工精度高，可减少再加
18、工费用。同时，激光焊接运转费用较低，可降低工件成本。激光焊接可应用于多种金属及合金、钢等合金材料间的焊接，也可应用于铜-黄铜、铜-钛、镍-铜、铜-钛等多种异种金属的焊接。汽车零部件行业：发动机气缸垫；液压挺杆密封焊；滤清器密封焊；火花塞焊接；气门推杆焊接；防撞气囊电雷管密封焊；曲轴或缸套热处理；等等电 子 行 业： 手机电池、动力电池的壳体密封焊；固态继电器密封焊；连接器数据线焊接；等等五 金 行 业： 工具、配件、餐具、照明灯具；等等2.3 光纤激光器及激光焊接内蒙古工业大学本科科研训练论文7光线激光器主要由泵浦原，耦合器，掺稀土元素光线，谐振腔等部件构成。泵浦原由一个或多个大功率激光二极管
19、阵列构成，其发出的泵浦光经过特殊的泵浦原机构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光线，泵浦波长的光子被掺稀光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经过谐振腔镜的震荡形成激光输出。光纤激光器以光纤作为波介质，耦合效率高，易形成高功率密度，散热效果好，无需庞大的制冷系统，具有高转换效率，光束质量好，窄线宽等优点。通过研究内容可知焊接材料相同时，在使用光纤激光焊焊接时，铝合金接头的性能要比其他两种方法获得接头性能更佳，这主要是因为光纤激光焊的焊接过程更加稳定、穿透力更强以及高的焊接效率。所以人们对于铝合金光纤激光焊接组织及性能进行了大量的研究。2.4 激光复合焊激光作为一种功能密度热源，应用于焊接有独
20、特优势，但是和其他热源一样激光焊接也有缺点：（1） 大功率激光器价格昂贵，设备投资巨大；（2） 焊前准备工作要求高；（3） 高反射金属深熔焊小孔建立困难，焊接过程稳定性差，容易产生气孔、缩孔。咬边等焊接缺陷；（4） 光束能量利用率低内涵姐消耗成本高这些缺点极大地极限了激光焊接季度应用的范围。为了消除或减小单热源激光焊接的缺陷，人们极力寻求有效的解决方法。激光复合其他热源焊接是弥补单独激光焊接缺陷的一种重要方法，而激光复合其它热源的方法中激光与电弧复合的应用最为普遍，低成本的电弧外加激光，设备投资减小，生产效率高，产品单元消耗神本降低。这一点就使得原来的高成本、高消耗的激光焊接在工业中的进一步推
21、广应用成为可能。内蒙古工业大学本科科研训练论文8图三 激光电弧复合焊接的原理图上图示意了激光电弧复合焊接的原理。气体或固体激光和常规电弧复合，共同作用于工件表面通体区域。当激光辐射在金属材料表面时，激光的一部分能量将在一个很薄的表层内被吸收并转换成热，使得表面温度升高。当激光功率密度大于材料曾蒸发所需要的临界功率密度使，原来为凝聚态物质的蒸发是重要的效应。相比之下，在薄的加热层所含的能量是小的，几乎激光所有传给的能量都用于使物质蒸发，然后是气体加热并加速，同时蒸汽的反冲作用在材料表面产生一定的反冲压力，使融合金属表面下陷并形成小孔。形成的小孔的力学条件是材料蒸发产生的压力必须达到一定的临界值，
22、以克服表面张力、静压力和液体的流动阻力。激光电弧复合焊接有以下特点（1） 可降低工件装配要求（2） 复合焊接利用电弧的复合作用，在保证大熔深的同时适当增加熔池宽度，降低凝固速度，有利于减少气孔侧向。（3） 可以现实在较低激光功率下获得更大的容身和焊接速度，有利于降低成本。（4） 电弧对等离子体有稀释作用，可以减少对激光的屏蔽效应。同时激光对电弧有引导和聚焦作用，使得焊接过程稳定性高。（5） 利用电弧焊的填丝课改善焊缝成分和性能，对焊接特种材料或一种材料有重要意义。这些优点使得激光电弧复焊接极可能成为解决铝合金焊接的最佳方法，存在以下缺点（1） 热源为非对称，难于用于曲线或三维焊接（2） 电弧与
23、激光聚集光斑的相互位置对焊接过程稳定性影响的大缺点3 铝合金焊接性及缺陷铝合金对激光反射很强，为了克服铝合金的高反射和高导热性所造成的能量耦合的壁障，铝合金的激光焊接要求更高的功率密度，对激光焊接要求极高。除此之外，铝合金焊接还存在其它一些难点：铝元素的电离能低，焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展，焊接过程稳定差；铝合金属于典型的共晶型合金，在激光焊接快速度凝固条件下更容易产生热裂纹；激光焊接熔池深度大，气泡不易上浮，容易产生气孔；液态铝合金流动性良好、表面张力低，焊接过程不稳定造成焊接熔池剧内蒙古工业大学本科科研训练论文9烈震荡，容易出现咬边、焊缝成形不连续，严重时造成小孔突然闭合而焊接中
24、产生直径较大的工艺空洞、或小孔在闭合前由向外喷射的等离子体将液体金属吹出熔池而造成形成所谓的 blowhole等。 8铝合金激光焊接的主要问题可以概括成 6个方面。如图焊接能量的耦合应力变形接头强度焊缝形成焊接热裂纹焊缝气孔铝合金的激光焊接图四 铝合金激光焊接的主要问题铝合金激光焊接时，普遍存在气孔和热裂纹的问题。其中气孔的形成机理说法主要存在以下几种：熔氢小孔；激光焊接是孔闭合塌陷以及工艺不稳定因素所致气孔；低熔点元素的蒸发导致的气孔。减少铝合金焊缝气孔的有效措施之一就是掐断焊接时的氢的提供源，如过彻底清除铝合金母材和填充材料表面的氧化层，保持铝合金表面充分的干燥，使用 Ar等惰性气体保护熔池表面。另外就是改善工艺方法如果激光附加电弧热源焊接，减缓铝合金焊缝熔池的凝固速度，使于气体的析出。 9至于焊接热裂纹形成机理，铝合金的焊接裂纹都是热裂纹，是熔化的铝合金在凝固过程中局部塑形变形超过本身所能承受的变形量的结果。铝合金的热膨胀系数里钢铁材料约高 1倍，熔融铝合金凝固时收缩率也高达 5%以上。因此，铝合金焊件焊接应力大，热裂敏感性强。一般认为，合金结晶的温度区间越宽，产生热裂纹的倾
