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铝合金车身的激光焊接工艺

铝是一种 通用型金属,和大多数金属相比其原子质量极低,在很多方面的性能甚至令人惊叹。这种低原子质量,加上极强的耐腐蚀性和绝佳的导热导电性,让铝成为极其独特 的金属。对于制造商们来说,好消息是铝易于加工、铸造、拉伸和挤压,而且原料充足。铝是世界上蕴藏量排名第三的金属,在地壳中的含量超过8%。

与钢铁材质对比

 将铝和其它主要制造金属——钢铁——相比较, 就会发现不少重要区别。一个主要区别在于耐腐蚀性。铝对氧的亲和力归因于其三个价电子。由于氧能够接受两个价电子,从而形成氧化铝(三氧化二铝)。氧化铝 是一种活跃的1纳米厚的表面膜,保护基底金属免受腐蚀,也不会与其它元素发生反应。如果这一氧化层受到损害,且暴露在氧气的情况下会立即重新形成氧化层。 钢铁就没有这种活跃的机制,事实上,在面对氧或水的情况下,钢铁中的铁会形成氧化腐蚀物——铁锈。

 

第二个重要区别在于质量。铝的质量是钢铁的三分之一,而在很多行业里使用铝的重要驱动力在于可以减轻重量,特别是在交通运输业。一般说来,同样的结构性 能,铝组件的薄板厚度是钢铁的两倍,从而能够将整体质量减少33%。这为汽车业提供了一个很好的前景,因为到2025年必须将燃油经济性提高到一加仑汽油 可以行驶54.5英里。

铝的附加属性让其更为通用,如高导热性对于冷却器这类部件极为有用,低电阻率使其成为好的电流导体。但是如果铝不是具有高度的可制造性,那么所有这些独特而有用的特性就不值一提了。铝易于成形、加工、焊接,这些对于铝的可利用性至关重要。

焊接方法

随着合金元素的添加,八组可锻合金出现了,将铝的整体应用扩展到了一个广泛的制造业应用(见图表)。但是, 不管是合金还是整体应用,还是存在可焊性问题。幸运的是,大多数合金可以成功地进行熔焊,这取决于合金填充材料。使用激光器能够解决困扰传统技术如金属惰 性气体电弧焊等的难题。和金属惰性气体电弧焊相比,激光加工的焊接速度更快,热量输入更少,热影响区域更小,扭曲变形更少,在很多情况下可以自焊接。

但是,铝和铝合金仍具有一些棘手的属性,如果不适当处理就会对焊接造成影响。合金蒸发和凝固温度的广泛范围会导致锁孔不稳定、多孔性、气泡、丧失机械性能 以及在焊接冶金中出现各种缺陷,例如热裂纹。熔融铝的高氢解度会导致大量焊缝气孔和气泡。低粘度和高度流动性的熔融铝会造成焊道底的沉降和松垂。最后,铝 的高反射性加上高导热性会引起光能量耦合到材料上。虽然上述这些听起来让人很沮丧,但其实激光焊接铝的历史和成功案例恰恰相反。这些棘手的特性以及相关的 焊接问题都有明确和证实过的解决方案。下面让我们简要了解一下最常见的五个问题,机制以及控制措施。

热裂纹或者焊接凝固裂纹是凝固压力作用于微观结构的结果,铝的高热扩散性和导热性会加剧这些裂纹。通常利用合适的填充焊丝或镶嵌填充箔材料来改变焊接性能 和避免裂纹敏感峰值就能够避免热裂纹敏感性(见图1)。例如,要获得良好可焊性,添加硅和镁的典型值分别为大于2-3%和大于3-4%。在2000系和 6000系铝合金中这些合金的典型范围为0.4-1.6%,意味着在大多数情况下这些合金需要填料从而实现无裂纹焊接。

熔融铝中的氢溶解度会造成很多气孔。氢事实上是一种含量极为丰富的元素,尤其是在制造加工环境中,因为它在水、润滑油和空气中都存在。上面的问题在于氢已 经溶解在了熔融铝中,但在固态铝中几乎不会溶解。在凝固后, 焊接熔池中的氢不是被困在焊接中成为气孔,就是释气形成气泡。幸运的是, 针对此的预防措施并不复杂:

保持材料的清洁和干燥,包括填充焊丝和铝箔;

避免会造成零件或填充材料冷缩的温差(例如从存储区域转到生产区域);

清理焊接点,需要的话去除“多孔”氧化物;

使用保护气体。

不稳定的合金元素,如锌、镁和锂也会导致气孔和气泡。这些元素蒸发, 通过锁眼跑出来,并将熔融物带了出来,留下焊接空洞和污渍的轨迹。这一问题的解决方案也是直截了当的:仅需提供一条足够大的通道(例如,大型聚焦光斑或串 联聚焦光斑)或给气化物提供足够长的时间(降低焊接速度)来排气,就不会造成损害。

焊道底沉降发生在6mm或更厚的贯穿焊接中,尽管精确的厚度临界值取决于波长、合金类型、功率、速度、光斑直径等。避免沉降最简单的方法是将焊接头水平固 定,但是很多情况下这是不切实际或不可能实现的。在使用竖向焊接接头时,可以选择多种策略来避免焊道底在贯穿焊接中沉降(图2):

使用局部贯穿焊接;

重新设计部件来避免贯穿焊接;

使用焊道底基底材料(例如铜)。

过去铝的高反射性对于激光焊接来说是一个问题。但是,随着高功率、高光束质量的二氧化碳激光器的逐步发展,以及高功率、高亮度固体光纤激光器的出现,将能 量耦合至铝上不再成其为问题。这里有一个需要注意的错误观念:现在很多人认为由于固体激光器(如碟片激光器和光纤激光器)的波长较短,被铝吸收得更多,因 此就是所有应用的最佳选择。事实并非这样,对于厚度约4或5mm的材料来说,波长最好是1μm。但是如果材料厚度是在6mm以上,二氧化碳激光器 (10.6μm波长) 更好。虽然确切的物理效果仍存在争议,但是简单的解释是吸收率更高意味着材料的上层部分吸收了更多来自1μm 波长的能量。而使用二氧化碳激光器, 10.6μm的波长能够反射到锁孔,从而更深地穿透材料。

宝马7系轿车车门

激光焊接已应用于汽车业,用以连接如车架、车顶、车门、后备箱、驾驶杆、轮毂和燃油过滤器等多种铝质零部件。一种值得注意的应用是使用激光端接(对接)焊 技术焊接宝马7系豪华轿车的铝质车门(图3)。铝成为宝马设计师们选中的材料,不仅因为其质量轻,而且因为能为将来在更大排量汽车上应用激光焊接铝材获得 重要经验。尽管被选中的合金(铝5083)是一种可以自动可焊接的材料,但是制造工程师选择使用端接接头设计和激光焊接,并使用填充焊丝来保持凸缘宽度接 近绝对最小值。这让工程师们能够将横截面最大化(图4),从而使用最少的材料来增加断面系数和惯性力矩。

激光焊接车门的断面系数是电阻点焊车门的1.7倍,惯性力矩是2.3 倍,在强度和硬度方面都有了很大的提升。每辆桥车的四扇铝质车门含有长度超过15米的激光焊接缝, 比钢质车门要轻约30%。紧密而更连贯的激光焊接缝还有一个优点在于不需要粘合剂,从而进一步减轻了重量,降低了成本。

制造商们将铝视作其生产应用的理想金属,主要原因在于铝的质量强度比和耐腐蚀性。大多数铝合金是可以熔融焊接的(不管有无填料), 存在的一些常见的焊接问题也已通过在生产中获得有效的方法得到克服。从二十世纪九十年代开始,多个行业已经在生产中利用激光焊接大量铝和铝合金零部件。宝 马7系豪华轿车就是一个很好的例子,而未来的愿景是,激光加工、强度、轻质以及成本等因素都汇合起来,创造一个优雅的解决方案。随着燃油经济性在汽车业的 强制执行,汽车的轻量化趋向是无法避免的。铝必定会成为轻量化的重要组成部分,而且由于自身具备的优势和性能,激光焊接也会享有同样的地位。

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