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鋁合金薄板多光束YAG激光焊接設(shè)計(jì)
2013-08-10
鋁合金具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、飛機(jī)、船舶等制造材料。鋁合金的激光焊接技術(shù)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，和傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，它在焊接的效率、可靠性、精度上具有很大的優(yōu)勢(shì)。鋁合金焊接的難點(diǎn)在于其對(duì)激光的反射率極高，其中對(duì)CO:激光的初始反射率接近90%，對(duì)YAG激光反射率接近80%。大量文獻(xiàn)記載了用高功率CO:激光器進(jìn)行鋁合金焊接的研究或試驗(yàn)，對(duì)用YAG激光進(jìn)行鋁合金焊接研究相對(duì)較少。部分激光加工企業(yè)利用YAG激光器對(duì)lmm左右的鋁合金薄板焊接進(jìn)行了試驗(yàn)研究。武漢楚天激光工業(yè)激光設(shè)備有限公司激光加工工藝部的工程師經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在50 WYAG固體激光器上順利完成空調(diào)鋁合金連接架的焊接，強(qiáng)度達(dá)到了用戶要求，但焊接表面粗糙，有裂紋和氣孔存在。另外，通過(guò)多次在30WYAG激光器上試驗(yàn)對(duì)lmm鋁合金焊接，雖然熔深較大，甚至可以實(shí)現(xiàn)穿透焊，但焊接后材料強(qiáng)度不夠，同時(shí)表面有明顯裂紋，內(nèi)部有氣孔。部分研究機(jī)構(gòu)利用激光-MIG復(fù)合焊或填絲焊的方法進(jìn)行鋁合金激光焊接也取得了一定的成果，但加工工藝相對(duì)復(fù)雜。本文對(duì)鋁合金激光焊接技術(shù)工藝進(jìn)行了研究，分析了多光束YAG激光解決鋁合金焊接部分缺陷的可能性，提出多光束YAG激光焊接機(jī)的光路構(gòu)建方法。
2 鋁合金激光焊接技術(shù)難點(diǎn)與解決方法
2.1 鋁合金對(duì)激光束的高表面反射
進(jìn)行激光焊接，首先碰到同時(shí)也是很難解決的問(wèn)題是表面對(duì)人射激光的強(qiáng)烈反射，可以采用對(duì)鋁合金表面進(jìn)行預(yù)處理的方法來(lái)解決，例如電解拋光、噴砂或陽(yáng)極氧化處理等方法。但進(jìn)行表面工藝處理時(shí)會(huì)增加加工的復(fù)雜性甚至破壞表面，特別是在材料本身已做過(guò)拋光處理的材料則該方法更不可取。
為了既不破壞焊接件表面狀態(tài)，同時(shí)使激光焊接工藝過(guò)程簡(jiǎn)化，可以采用對(duì)焊接材料進(jìn)行預(yù)加熱升溫的方法提高材料對(duì)激光的吸收率。理論與研究均表明，針對(duì)紅外激光，金屬吸收率與溫度依賴(lài)關(guān)系可以用下面簡(jiǎn)單的表達(dá)式描述:
鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋。如果用單光束激光加工，材料加熱和冷卻速度極快，焊縫深寬比大，焊縫結(jié)晶組織方向性強(qiáng)，鋁合金焊接會(huì)在焊縫金屬和近縫區(qū)出現(xiàn)裂紋。出現(xiàn)在焊縫區(qū)的是結(jié)晶裂紋，出現(xiàn)在近縫區(qū)的為液化裂紋。一般在激光焊接時(shí)，近縫區(qū)很窄，大約在2O0ηm以下，不會(huì)對(duì)整個(gè)焊接接頭造成很大危害，所以重要的是如何止結(jié)晶裂紋。一般來(lái)說(shuō)合金成分越大則產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的可能性越大，焊接速度越大則焊縫中裂紋數(shù)越多。出現(xiàn)以上情況是冷卻速度過(guò)快而合金元素不能完全固溶于結(jié)晶中且加熱冷卻時(shí)體積變化很大，產(chǎn)生很大的變形于應(yīng)力并作用于發(fā)生共晶的晶界上產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。在楚天激光工業(yè)激光設(shè)備有限公司激光加工工藝部進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用平均功率為30 W單光束YAG激光進(jìn)行鋁合金焊接時(shí)，如果采用高速多次掃描并且每次的離焦量不同進(jìn)行焊接試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋明顯減少，焊接強(qiáng)度增加。
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