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1、铝合金镁合金的激光复合焊技术学号：11091074姓名：姬生星指导老师：陈辉教授1.前言汽车轻量化成为当前汽车技术的主要发展方向，在生产制造中大量采用铝、 铜、镁、钦及其合金等有色金属材料。铝已经在全球汽车工业领域牢牢建立起市 场支配地位，占据着大部分轻金属市场份额。镁是极重要的有色金属，它比铝轻，能够很好地与其他金属构成高强度的合 金，镁合金具有比重轻、比强度和比刚度高、导热导电性好、兼有良好的阻尼减 震和电磁屏蔽性能、易于加工成型、容易回收等优点，因此被誉为“ 21世纪绿 色工程材料”。但是铝合金镁合金这类轻金属由于其熔点较低、比重较小、热导系数大，采 用传统的熔焊技术时，容易产生裂纹、焊
2、接变形、气孔等缺陷，并且接头软化现 象严重，性能降低，限制了其实际应用。随着科技的发展，20世纪出现了一种非常先进的焊接方法一激光焊接。激 光焊接具有较多的优点，如焊接速度快、焊后工件变形小、可以进行深熔焊接等 等。但是由于激光器价格异常昂贵、工件装配间隙要求严格、焊接效率较差等缺 点限制了其大规模的工业应用。为使激光焊接有更多的工业应用，20世纪70年代末英国人W.steen提出了 激光与TIG焊进行复合焊接，取得了不错的效果，引起了较大反响。此后又发展 了几种不同的复合焊方法，相对于单一激光焊来说，改善了焊缝质量、提高了焊 接效率。复合焊技术的不断发展先后经历了 ：双束激光束焊(1987)
3、;以，A或者GMA 辅助激光束焊(1988);激光束/气体保护金属极电弧焊(GMA)(1991):激光束/等离子弧焊(1998); 低功率Co:激光束/气体保护钨极电弧焊(GTA)(2001);激光辅助搅拌摩擦焊 (2002)。这项技术发展日趋成熟，在工业上的应用越来越受到广泛重视。复合焊 方法不仅可以用于焊钢，也可以焊接铝、镁等轻金属。2.激光复合焊激光电弧复合焊(以下简称复合焊)是将物理性质和能量传输机制截然不同 的2种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，既充分发挥了两种热源各自 的优势，又相互弥补了各自的不足，从而形成了一种全新高效的热源。随着复合焊研究的进展，参与复合焊的激光束类型
4、和电弧类型也有所变化。 参与复合的激光包括Nd:YAG激光、CO2激光，电弧包括TIG电弧、MIG/MAG电弧 以及等离子弧，各种复合形式所得焊接结果也不尽相同。目前研究最多的是激光 与MAG电弧复合焊接。2.1激光-MAG复合焊铝和铝合金已经广泛用于汽车结构件和非结构件，激光一 MIG复合焊技术已 经在铝合金焊接领域成功应用。如图1所示激光一 MIG复合焊，激光复合焊技术 并不是两种焊接方法的依次作用，而是两种焊接方法同时作用于焊接区。当激光 到达材料的表面时，该点的温度迅速升高到气化温度，并形成小孔，这样几乎所 有的能量就可以传到工件上，焊缝具有很高的深宽比。从能量观点看，激光电弧 复合对
5、焊接效率的提高十分显著。这主要基于两种效应，一是较高的能量密度导 致了较高的焊接速度;二是两热源相互作用的叠加效应。图1激光一 MIG复合焊原理在汽车中有许多像铝板与铝铸件这样的搭接接头，由于采用的铝合金 （AA6XXX）母材具有热裂的倾向，因而都要求采用激光焊，而单纯使用激光+冷丝 焊工艺，焊丝通过直接激光辐射和等离子体加热而熔化故消耗了激光能量。此外，激光焊在汽车铝车身焊接工艺中遇到的问题主要是由于光束直径太 细，要求坡口装配间隙小于0.5mm，跟踪精度很高，一开始尚未形成熔池时热效 率很低。这些问题可以通过激光一 MIG复合焊解决。由于MIG焊的复合，熔池宽 度增加使得装配要求降低，焊缝
6、跟踪容易，一开始由MIG电弧可以解决初始熔化 问题，从而可以减少使用的激光器的功率。同时MIG焊的气流增大有助于减少根 部的等离子体，增大熔深，MIG焊便于加人填充焊丝，从而可以避免表面凹陷形 成的咬边。而激光焊的深熔和快速、高效、低热输人特点仍保持。以VW Phaeton（德国大众高档新款车）的车门焊接为例：为了在保证强度的 同时又减轻车门的质量，大众公司采用冲压、铸件和挤压成形的铝件。车门的焊 缝总长4980mm，现在的工艺是7条MIC焊焊缝（总长380mm），11条激光焊焊缝（总 长1030mm），48条激光一 MIG复合焊焊缝（总长3570mm）。也就是说，由于接头 形式各异，激光复合
7、焊并不是适用于车门上的所有焊缝。在接头装配间隙很大的 位置，具有良好接头连接能力的MIG焊比激光焊或复合焊更有优势;反之对接头 间隙非常小的焊缝，热能集中、焊速快的纯激光焊是最好的方案。激光复合焊另一特点就是具有很宽的焊速调节范围。例如：复合焊在焊接 Phaeton车门的对接接头时，焊接速度1.2 一 4.8m/min都是可行的，送丝速度 为4 一 9 m/min，激光功率为2 4 kw。最优化的焊速是4.2m/min，送丝速度 6.5m/min，激光功率2.9kw。激光复合焊同样用于新型奥迪AS汽车的生产，如 图2所示。在AS侧顶梁上有各种规格和形式的接头，就是采用激光复合焊工艺， 焊缝总长
8、4.5m。2.2激光-TIG复合焊从历史上看，早在20世纪30年代就有大众汽车使用镁合金，由于镁的价格 上升才停止了使用。20世纪80年代初，由于采用新工艺，严格限制了铁、铜、 竦等杂质元素的含量，使镁合金的耐蚀性得到了解决，同时成本下降又大大促进 了镁合金在汽车上的应用。从20世纪90年代开始，欧美、日本、韩国的汽车商 都逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。目前镁合金一般用于车上的座椅骨架、 仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳等零件， 其中转向盘和转向柱、轮圈是应用镁合金较多的零件。镁及其合金在汽车部件应 用方面目前仅限于汽车非结构件，这是由镁及其合金的物理和化学
9、性能决定的， 要想进一步取得重大突破尚需做许多技术工作，还有一段很长的路要走。2.2.1镁合金的复合焊当前，在镁合金焊接中主要采用摩擦焊、氢弧焊、激光焊和电子束焊。但由 于镁和镁合金的焊接性比较差，对于新产品的功能、精度、安全性和效率提出更 高标准，而传统方法，例如，钨极氢弧焊TIG ）由于焊接速度低，热影响区大等原 因，难以实现高效焊接。单独采用激光焊的最大缺点是对工件定位要求高，能量 利用率低，这对于高热传导率的材料，如铝、铜、镁更加明显，因为表面吸收率 随着材料的热传导率的增加而减少，从而使激光在焊接镁和镁合金方面的应用受 到限制。激光与电弧复合热源焊接在继承激光焊的优点的同时，在很大程
10、度上又 弥补了单独激光焊的不足，可以起到提高能量利用率、增大熔深、减少焊接缺陷 的效果，是一种高效的焊接方式，如图3所示。图3激光-TIG复合焊在焊接钢材时，激光与电弧的复合焊方法是非常有效的焊接方法，其中热源 的缺点彼此弥补，作用点效率比较高。由于低熔点，易氧化，高热传导，使镁合 金的焊接性非常差。因此，为了得到镁合金高质量的焊接接头，研究人员采用 YAG激光焊一 TIG复合焊热源焊接AZ31B镁合金薄板，对此做了比较翔实的研究， 这种技术现在正处于推广阶段，如图4所示。图4镁合金复合焊的推广应用镁合金对激光吸收率很低，但随着材料表面温度的升高而升高，在熔化状态 下更高。当采用复合焊热源正向
11、焊接时（图3,沿焊接方向，电弧在前），由于钨 极氢弧焊电弧在前，先熔化了金属表面，增加了金属对激光的吸收率，激光的能 量得到了充分的应用，显著增加了熔深。复合焊热源焊接过程中电弧使表面金属液化，增大了材料对激光的吸收率； 另一方面激光改变了电弧热源特性，激光与电弧复合时，电弧被吸附到激光与材 料的冲击点上，使电弧能量更加集中。随着电弧中心与激光斑点间的距离减小， 焊缝的熔深明显增大，但当距离小到一定程度时，激光与电流间的增强作用减弱， 熔深反而变小。在较高焊速情况下，采用钨极氢弧焊焊接镁合金时电弧不稳定，会发生滞留、 跳跃和漂移的现象，造成接头宽窄不均，焊缝不连续等缺陷，并随着焊接速度的 增加
12、，上述现象更加明显，这将显著影响焊接接头的质量和成形。而在镁合金复 合热源焊接过程中，由于激光束的作用，钨极氢弧焊电弧被紧紧吸引在激光的作 用点，电弧稳定燃烧，不发生漂移，电弧刚性好，焊缝成形均匀、连续且比较光 滑。复合热源焊接过程中电弧稳定的主要原因是激光光束作用在工件上产生金属 蒸气，在焊接电弧的作用下金属蒸气被电离，形成金属等离子体，所产生的带电 粒子充当了钨极氢弧焊电弧的载流子，使得电弧的电阻率显著下降，有利于电弧 电流的传输，增加了电弧燃烧的稳定性。2.2.2异种金属的复合焊通过激光-TIG复合热源，可以焊接镁和铝异种金属。影响异种金属焊接性的 因素很多，其中最难解决也是异种金属焊接
13、时尽量避免的就是形成金属间化合物。 从镁和铝相转变图中可知，金属间化合物为Al3Mg2，Al12Mg17和Al30Mg23。这些 金属间化合物很脆，而且在焊接过程中金属间化合物的形成很难控制。Rathod And Kutsuna和Miyashita et al指出，对于铁和铝合金，钦和铝合金等异种连接， 在连接面非常容易实现固/液之间的反应，熔点低的金属熔化。利用异种金属的 熔点差，尽量保持熔点低的金属为液态是解决这类问题的一般方法。但是，镁和 铝的熔点相差无几，纯镁的熔点为651C，纯铝的熔点为660，在熔焊时很难 做到只熔化一种金属而使另一种金属保持固态，因此不可避免地要发生两种金属 液态
14、的接触。液态金属之间的反应速度远远大于固态金属之间的反应速度，镁和 铝之间生成金属间化合物是很难控制的。这就是异种金属镁和铝熔焊的最大困难， 也是镁和铝直接TIG焊失败的原因。选择焊缝的连接方式，可以减少焊接中镁和铝高的线收缩率导致产生的焊接 裂纹，又在一定程度上避免了镁和铝的直接大量接触。采用激光-TIG复合热源作 为一种熔焊方法，之所以能形成异种金属镁和铝的焊接接头，与其高的焊接速度 是分不开的。高的焊接速度大大减少了形成金属间化合物的时间，也就是减少了 金属间化合物的量。并且由于电弧和激光快速的复合搅拌作用使金属间化合物分 布比较弥散，改变了 TIG焊中金属间化合物连续层状分布的存在状态
15、，使异种金 属镁和铝的焊接成为可能。2.2.3双激光束焊众所周知，铝合金由于其高反射率，高热传导率，低沸点易汽化的原因很难 采用激光焊。焊缝表面会产生表面气孔、咬边和焊缝不均匀等缺陷。223.1单束激光焊采用单束激光焊时，高功率激光束在很短的时间内使工件表面产生气化。材 料蒸发在工件上形成小孔，随后部分金属蒸气和保护气体被激光束电离，在小孔 中形成高温高压的等离子云。当小孔完全打开时，等离子体云能够非常容易地从 小孔溢出，可以从工件表面观察溢出的部分等离子体云。由于焊接过程中熔化金 属质量流不均匀，通常小孔不稳定，小孔在一定频率范围内打开与收缩，偶尔也 会闭合与崩溃。当小孔打开的尺寸减小或者收
16、缩时，限制等离子云从小孔的溢出， 从而工件表面的等离子云减少，同时激光束能量连续辐射，小孔中等离子云压力 增加。当小孔中的等离子体云压力足够大时，就会从小孔中喷出，等离子体云喷 射会带出金属液体产生飞溅，在焊缝上形成孔洞。如果只有少量金属回到孔洞中， 则焊缝表面粗糙不规则。激光焊接铝时，因其具有高的传导率，液体金属凝固填 充孔洞的时间非常短，故情况变得更糟。这也是铝焊接时产生上述缺陷的原因。223.2双束激光焊采用双束激光焊时，两束激光束的距离比较近，在焊接熔池中形成一个共同 细长形小孔。焊接过程中等离子体云尺寸变化不大且相对稳定，这表明在双束激 光焊时小孔总是张开的，等离子体云可以从小孔中连续溢出，因而可以维持小孔 中的等离子体云压力比较低，避免较大等离子体云喷射，减少缺陷，焊缝表面质 量提高，成形美观。此外双束激光焊的焊缝成形明显与单束激光焊不同，双束激 光焊的焊缝上表面宽，下表面窄，
