铝合金薄板多光束YAG激光焊接设计
2013-08-10
铝合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀性等优点，广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造材料。铝合金的激光焊接技术是近20年来发展起来的新技术，和传统焊接技术相比，它在焊接的效率、可靠性、精度上具有很大的优势。铝合金焊接的难点在于其对激光的反射率极高，其中对CO:激光的初始反射率接近90%，对YAG激光反射率接近80%。大量文献记载了用高功率CO:激光器进行铝合金焊接的研究或试验，对用YAG激光进行铝合金焊接研究相对较少。部分激光加工企业利用YAG激光器对lmm左右的铝合金薄板焊接进行了试验研究。武汉楚天激光工业激光设备有限公司激光加工工艺部的工程师经过试验，在50 WYAG固体激光器上顺利完成空调铝合金连接架的焊接，强度达到了用户要求，但焊接表面粗糙，有裂纹和气孔存在。另外，通过多次在30WYAG激光器上试验对lmm铝合金焊接，虽然熔深较大，甚至可以实现穿透焊，但焊接后材料强度不够，同时表面有明显裂纹，内部有气孔。部分研究机构利用激光-MIG复合焊或填丝焊的方法进行铝合金激光焊接也取得了一定的成果，但加工工艺相对复杂。本文对铝合金激光焊接技术工艺进行了研究，分析了多光束YAG激光解决铝合金焊接部分缺陷的可能性，提出多光束YAG激光焊接机的光路构建方法。
2 铝合金激光焊接技术难点与解决方法
2.1 铝合金对激光束的高表面反射
进行激光焊接，首先碰到同时也是很难解决的问题是表面对人射激光的强烈反射，可以采用对铝合金表面进行预处理的方法来解决，例如电解抛光、喷砂或阳极氧化处理等方法。但进行表面工艺处理时会增加加工的复杂性甚至破坏表面，特别是在材料本身已做过抛光处理的材料则该方法更不可取。
为了既不破坏焊接件表面状态，同时使激光焊接工艺过程简化，可以采用对焊接材料进行预加热升温的方法提高材料对激光的吸收率。理论与研究均表明，针对红外激光，金属吸收率与温度依赖关系可以用下面简单的表达式描述:
铝合金属于典型的共晶型合金，焊接时容易产生热裂纹。如果用单光束激光加工，材料加热和冷却速度极快，焊缝深宽比大，焊缝结晶组织方向性强，铝合金焊接会在焊缝金属和近缝区出现裂纹。出现在焊缝区的是结晶裂纹，出现在近缝区的为液化裂纹。一般在激光焊接时，近缝区很窄，大约在2O0ηm以下，不会对整个焊接接头造成很大危害，所以重要的是如何止结晶裂纹。一般来说合金成分越大则产生结晶裂纹的可能性越大，焊接速度越大则焊缝中裂纹数越多。出现以上情况是冷却速度过快而合金元素不能完全固溶于结晶中且加热冷却时体积变化很大，产生很大的变形于应力并作用于发生共晶的晶界上产生结晶裂纹。在楚天激光工业激光设备有限公司激光加工工艺部进行的试验发现，当用平均功率为30 W单光束YAG激光进行铝合金焊接时，如果采用高速多次扫描并且每次的离焦量不同进行焊接试验，最终发现焊缝裂纹明显减少，焊接强度增加。
