张伟-铝合金车身激光焊接工艺设计.docx

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1、张伟-铝合金车身激光焊接工艺设计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： 光子轰击金属外表形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余的金属被金属反射掉。假如被焊金属有良好的导热性能，那么会得到较大的熔深。激光在材料外表的反射、透射和汲取，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。物质汲取激光后，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肯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

2、焊接时，输入到工件上的能量是断续的，脉冲的，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、工作台和限制系统 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确定性的作用。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。世界一些闻名汽车公司，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纳了激光拼焊工艺，而且所生产

3、的轿车车身均由激光拼焊板冲压而成。在我国，武汉钢铁公司采纳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、外表状态、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。采纳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惫性得到了显著改善。总的说来，激光焊接技术在车身制造中的应用大大削减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实力，增加了汽车结构的牢靠性、稳定性和平安性；在改善车身质量的前提下，不仅削减了装配工作量，而且还削减了成型工具、冲压机的工装投资以及运输、储存金属材料的费用，

4、节约了制造本钱。5 铝合金激光焊接技术的探讨现状及 5.1开展前景： 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开展必定与激光器的开展紧密联系在一起。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 。采纳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探讨热点是采纳所谓的复合工艺,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 年头末

5、就已经提出,但因为电弧的引入增加了焊接的热输入,从而必定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化探讨。最近有人发觉在CO2 激光熔池中存在幅度为几安培的固有电流,在焊接区施加肯定的外磁场可以影响熔池的流淌状态。因此,采纳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,还有人采纳协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供应协助电流,借助协助电流在熔池中产生的电磁力限制熔池的流淌状态,实现熔池中热量的重新安排,到达强化激光能量的有效利用率、提高加工效率之目的。同时利用协助电流在焊接熔

6、池中形成的磁流体效应使熔池动乱不定的运动变得有序和可控,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 % ,而焊缝宽度削减约28 %。这一技术很有可能在将来的铝合金激光焊接中起到重要作用。激光焊接技术开展到今日,其逐步取代传统焊接方法的趋势已不行逆转。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,可持续开展战略已成为各国经济开展的重要战略,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、汽车工业中一种特别有竞争力的材料,德国和日本等公司都已投入巨资进行激光焊接 铝合金的探讨。尽管铝合金激光焊接技术中的工

7、艺还不非常成熟,但存在的问题是可以解决的。随着探讨的深化,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,采纳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峻,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍; 铝合金外表易产生难熔的氧化膜（Al2O3 其熔点为2060 ） ,这就须要采纳大功率密度的焊接工艺; 铝合金焊接简单产生气孔; 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

8、 倍） ,相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大24 倍。因此,铝合金的焊接要求采纳能量密度大、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） 是近十几年来开展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、牢靠性高、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,特殊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行能单道焊透,而激光深熔焊

9、时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,那么可以得到实现。激光焊接铝合金有以下优点: 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,所以削减了工时和本钱; 不须要电子束焊时的真空气氛,且爱护气和压力可选择,被焊工件的形态不受电磁影响,不产生X 射线; 可对密闭透亮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,协作计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密限制。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拟适合。但铝合金

10、外表对CO2 激光束的汲取率比拟小,在焊接过程中造成大量的能量失。YAG激光一般功率比拟小,铝合金外表对YAG激光束的汲取率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺支配简洁等。因此采纳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行能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,那么可以得到实现。图1激光焊接时的小孔形态。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汲取很弱,对CO2 激光束（波长为10. 6m） 外表初始汲取率1. 7 %;对YAG激光束（波长为1. 06 m）汲取率

11、接近5%。图3 为不同金属对激光的吸汲取率小,热收率。由于导率高,在实际铝合金焊接过程中,肯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耀。铝合金激光焊接时,产生深熔焊,激光功率必需到达一个特定的阈值,这就对激光器提出肯定的要求,也是激光焊接的一个难点。铝合金的电离能低,局部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。焊接铝合金就肯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简单产生热裂纹。激光焊接熔池深宽比大,气泡不易上浮析出,简单产生气孔。液态铝合金的流淌性好,外表张力低,焊接过程的不稳定造成焊接熔池猛烈

12、震荡,易产生咬边、成形不连续,严峻时造成焊接过程中的小孔突然闭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不同金属对激光的汲取率 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坚固的焊点和焊缝。 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

13、特征 A、非接触加工，不需对工件加压和进行外表处理。 B、焊点小、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、不须要填充金属、不须要真空环境可在空气中干脆进行、不会像电子束那样在空气中产生X射线的危急。 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，还可通过透亮材料的壁进行焊接。 H、可通过光纤实现远距离、一般方法难以到达的部位、多路同时或分时焊接。 I、很简单变更激光输出焦距及焊点位置。 J、很简单搭载到自动机、机器人装置上。 K、对

14、带绝缘层的导体可干脆进行焊接，对性能相差较大的异种金属也可焊接。 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 许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，从图中相交位置发觉像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。

15、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。由于连接时局部铝材会熔化，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wMg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。wAg1%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。在此将探讨ZnAl，

16、 ZnAlAg， ZnAlBi，ZnAlCu,这些合金的性能和以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 母材中镀锌钢板采纳DX56D+Z， 铝板采纳AA6016或其改良的材料品种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

17、 合金的抗拉强度和伸长率 3.2 ZnAl合金的力学性能 ZnAl2合金由ZnAl2熔化后参与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熔化后参与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熔化后参与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

18、度，对整个焊接后的接头长230mm，宽200mm测出最大拉力和轴向拉伸变形。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 Zn

19、Al20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正确，最大拉力为8.8KN，轴向伸长6.7 MM 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合金中参与Ag能增加抗拉强度，而在ZnAl2合金中参与 Ag那么效果不明显。Cu的参与能提高合金的强度，但伸长率减小，塑性变差。在ZnAl2合金中Bi的参与对强度、塑性都不好。ZnAl2合金参与wBi0.5%，对强度影响不大，但塑性

20、大大削减。 2由锌铝合金作为焊丝，采纳Nd:YAG激光束连接钢板和铝板叠接时，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。参与Ag能使硬度加大，但降低了强度与塑性。Bi的参与一般能使硬度加大，但塑性大大降低。建议在本文状况下，采纳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

21、的韧性断裂特征。断口部位呈现出很多尺寸不匀称的一次相， 韧窝底部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确定的。 1Ti-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。2Ti-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。3Ti-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汲取率，进行了外表化学改性、外表镀层、外表涂层及复合激光焊等探讨。将连续电弧与脉冲激光束复合，能够消退焊缝区的凝固裂纹.

22、 激光焊铝及铝合金质量限制系统采纳多参数的线性回来方法预料铝及铝合金激光焊接时熔核直径、形态及喷溅状况。 探讨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正确工艺。 对铝合金激光焊接接头本身性能进行了探讨。例如，铝合金进行了混合气和焊剂的激光焊的探讨，使焊缝强度可到达母材的90%. 焊接设备为Rofin Sinar激光生产的YAG-DY044激光焊机， 最大功率2.5KW。激光焊焊接参数见下表： 6. 限制参数： 6.1 离焦量 离焦量指焦点偏离工件的距离,实质是变更辐射到工件外表的功率密度,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

23、,反之为负离焦。离焦量的大小,影响材料外表熔化斑点的直径及熔池的径深比。虽然正负离焦量大小相等时,工件外表的功率密度相等,但一般来说负离焦量时工件内部功率密度大于外表处,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,爱护气 因流淌路径的缩短而挺度增加,有利于进一步消退等离子体。为了增加熔深,焊接过程中一般都采纳负离焦,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。本文中采纳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到达5. 2 106W/ cm2 ,添加电弧后由于在激光的引

24、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。假如接着采纳负离焦,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汲取激光能量,造成等离子体屏蔽激光,使焊接过程不稳定,反而使熔深削减.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,焊缝熔深会有削减,而且焊接速度过大,熔滴过渡不稳定,简单引起熔池的不稳定;降低焊接速度可加大熔深,但假设焊接速度过低,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简单造成飞溅,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

25、接速度低到肯定程度后,热输入增加,熔化金属越来越多,当金属蒸汽所产生的反冲压力缺乏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,对肯定激光功率和肯定厚度的某特定材料都有一个相宜的焊接速度范围,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,没有视察到小孔的存在,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

26、/min ,离焦量为+ 3mm ,DL A 为+ 2mm。6.3 激光倾斜角度 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 。采纳激光倾斜肯定角度可以防止反射回来的光损伤光镜,其次激光倾斜肯定的角度可以削减等离子体对激光能量的汲取,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外表,激光垂直入射等离子体对激光的汲取散射将比拟大,减弱激光的利用率;倾斜肯定角度,激光穿透等离子层的深度就会削减。但是激光的倾斜角度又不能过大,过大的角度将会使激光干脆作用在焊缝的熔融金属上,熔深反而会削减。6.

27、4 机器人姿态的限制 焊缝走向及位置为机器人姿态限制的难点,很简单造成机器人行走时的抖动,从而影响送丝的不稳定性,干脆导致假焊、焊料积累、缩孔和其它焊接缺陷。 这须要通过以下两方面的对策来加以解决。一是合理调整焊接工艺参数,主要是指送丝速度,须要依据实际状况,在不同的焊缝段适时加以调整。比方依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积累（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,到达较好的连接效果。二是限制好机器人的行走姿态。必需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,以直线插值方式限制机器人的行走轨迹。另外

28、,当机器人每一点的行走“精度圆（ Genau） 设置为6mm时,可以使机器人行走得更加平稳。对于上下坡时的送丝速度,也须要进行适当增加或减小,以防止焊料积累或浸润缺乏。同时,通过限制机器人的关节运动,来到达不同的倾角,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、焊料积累等。在焊接过程中,须要依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

29、夹紧定位激光焊接焊缝检测打浅坑堆垛。8. 激光焊接协助设备-机器人应用技术： 机器人根据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，激光源可以采纳CO2 激光器或者YAG 激光器，激光焊接设备特别困难，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探讨。探讨说明 ,进行适当的外表预处理如砂纸打磨、外表化学浸蚀、外表镀、石墨

30、涂层、空气炉中氧化等可以降低光束反射,改善对光束能量的汲取。文献中作者经试验证明,3 mm 厚的外表形成氧化膜的A6063 铝合金, 比1 mm 厚的外表光滑的A6063 铝合金的汲取率显著增大;C A Huntington 等人在文献中具体探讨了铝在原始外表（铣、车加工后） 、喷砂（300 目砂纸） 、电解抛光和阳极氧化4种外表状况下对入射光束能量的汲取状况,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汲取。他们同时探讨了接头坡口几何形态对光束汲取率的影响,指出:尖V 形坡口接头比无坡口或方坡口接头的汲取率要高得多。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

31、加铝合金外表对激光能量的汲取（如图10所示） 。其缘由是V 形坡口或采纳图10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 变更工件焊缝的几何形态 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,就必需有更高的能量密度阈值。有探讨说明 ,能量密度阈值的上下要受其合金成分的限制及爱护气体种类的影响。有专家学者做了YAG激光焊接5083 铝合金的试验。试验说明,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旁边时,深熔焊与传热焊

32、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,实行肯定的措施,通过限制工艺参数来削减热输入,有助于获得稳定的焊接过程; 另外,爱护气体也影响焊接过程的稳定性,实行相宜比例和成分的混合爱护气体并限制流量,能很好地维持稳定的焊接过程。 10. 焊接缺陷及质量限制措施 铝合金激光焊接的主要缺陷之一是气孔问题,气孔问题至今仍旧是一个不解之谜。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。有探讨说明,材料外表态、爱护气体种类、流量及爱护

33、方法、焊接参数和焊缝形态都影响气孔的产生,选择相宜的外表处理措施,加强爱护和采纳高功率、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,特殊是脉冲激光焊接,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探讨工作。探讨说明,调整焊缝金属成分,填加Si ,对削减裂纹有肯定好

34、处;填充材料的采纳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,调整脉冲波形,限制热输入同样可以削减结晶裂纹,如图11所示,采纳此波形,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 削减裂纹的脉冲波形 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起先的激光焊接质量监测内容。包括对焊接模式改变、焊接过程的扰动改变检测等，一般仅能简洁推断焊接质量的“ 好与“ 坏。其根本原理是：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，当偏差超出肯定范围时即认

35、为焊接过程或焊缝质量发生了改变，此时简单出现焊接缺陷! 2 装配质量的检测 对装配质量实时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，一般采纳机器视觉获得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限制；二是在激光与材料相互作用时采集焊接过程中有关信号，通过肯定的信号分析手段推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限制。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

36、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改变规律实现离焦量的在线检测与闭环限制，这种方法有效的前提条件是焊接喷嘴与工件的距离唯一确定了离焦量的大小，但大多数状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改变特性，从而实现焦点位置的实时检测与限制，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，分析发觉等离子体光信号随离焦量的改变规律。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，对它实时检测的探讨可分为两类。一类是

37、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，这方面的大多数探讨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探讨。5 熔池与小孔的监测 焊缝质量从根本上是由熔池与小孔确定的，然而在激光深熔焊过程中由于存在剧烈等离子体弧光的干扰，对干脆视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干脆观测供应了可能。6 焊缝外表形貌的检测 焊缝外表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肯定尺寸的堆高或下凹。堆高易

38、造成咬边，焊件在服役过程中该处简单形成应力集中而失效；而下凹除了简单形成应力集中外，还会导致强度下降。因此，投入运用的激光焊件的焊缝堆高和下凹程度都必需在肯定范围内。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探讨。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肯定程度的探讨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探讨现状J.电子工艺技术,1997,18（4）:129-132. 4樊丁，余淑荣，张建斌，等.激光焊接开呈现状及动向J.甘肃工业高校学报,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