张伟-铝合金车身的激光焊接工艺设计

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：光子轰击金属表面形成蒸汽，蒸发的金属可防止剩余的金属被金属反射掉。如果被焊金属有良好的导热性能，则会得到较大的熔深。激光在材料表面的反射、透射和吸收，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。物质吸收激光后，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一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、工作台和控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决定性的作用。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。世界一些著名汽车公司，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用了激光拼焊工艺，而且所生产的轿车车身均由激光拼焊板冲压而成。在我国，武汉钢铁公司采用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、表面状态、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。采用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劳性得到了显著改善。总的说来，激光焊接技术在车身制造中的应用大大减少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能力，增加了汽车结构的可靠性、稳定性和安全性；在改善车身质量的前提下，不仅减少了装配工作量，而且还减少了成型工具、冲压机的工装投资以及运输、储存金属材料的费用，节约了制造成本。5铝合金激光焊接技术的研究现状及5.1发展前景：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发展必然与激光器的发展紧密联系在一起。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。采用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研究热点是采用所谓的复合工艺,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年代末就已经提出,但因为电弧的引入增加了焊接的热输入,从而必然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入研究。最近有人发现在CO2激光熔池中存在幅度为几安培的固有电流,在焊接区施加一定的外磁场可以影响熔池的流动状态。因此,采用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,还有人采用辅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提供辅助电流,借助辅助电流在熔池中产生的电磁力控制熔池的流动状态,实现熔池中热量的重新分配,达到强化激光能量的有效利用率、提高加工效率之目的。同时利用辅助电流在焊接熔池中形成的磁流体效应使熔池动荡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%,而焊缝宽度减少约28%。这一技术很有可能在未来的铝合金激光焊接中起到重要作用。激光焊接技术发展到今天,其逐步取代传统焊接方法的趋势已不可逆转。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,可持续发展战略已成为各国经济发展的重要战略,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、汽车工业中一种非常有竞争力的材料,德国和日本等公司都已投入巨资进行激光焊接铝合金的研究。尽管铝合金激光焊接技术中的工艺还不十分成熟,但存在的问题是可以解决的。随着研究的深入,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,采用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:①铝合金焊接接头软化严重,强度系数低,这也是阻碍铝合金应用的最大障碍;②铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3其熔点为2060℃),这就需要采用大功率密度的焊接工艺;③铝合金焊接容易产生气孔;④铝合金焊接易产生热裂纹;⑤线膨胀系数大,易产生焊接变形;⑥率铝合金热导大(约为钢的4倍),相同焊接速度下,热输入要比焊接钢材大2～4倍。因此,铝合金的焊接要求采用能量密度大、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(LaserWelding)是近十几年来发展起来的一项新技术,与传统焊接工艺相比,它具有功能强、可靠性高、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,特别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可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。激光焊接铝合金有以下优点:①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;②冷却速度高而得到微细焊缝组织,接头性能良好;③与接触焊相比,激光焊不用电极,所以减少了工时和成本;④不需要电子束焊时的真空气氛,且保护气和压力可选择,被焊工件的形状不受电磁影响,不产生X射线;⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接;⑥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,配合计算机和机械手,可实现焊接过程的自动化与精密控制。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较适合。但铝合金表面对CO2激光束的吸收率比较小,在焊接过程中造成大量的能量失。YAG激光一般功率比较小,铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大,可用光导纤维传导,适应性强,工艺安排简单等。因此采用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可能单道焊透,而激光深熔焊时形成大深度的匙孔,发生匙孔效应,则可以得到实现。图1激光焊接时的小孔形状。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吸收很弱,对CO2激光束(波长为10.6μm)表面初始吸收率1.7%;对YAG激光束(波长为1.06μm)吸收率接近5%。图3为不同金属对激光的吸吸收率小,热收率。由于导率高,在实际铝合金焊接过程中,一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射。铝合金激光焊接时,产生深熔焊,激光功率必须达到一个特定的阈值,这就对激光器提出一定的要求,也是激光焊接的一个难点。铝合金的电离能低,部分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。焊接铝合金就一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容易产生热裂纹。激光焊接熔池深宽比大,气泡不易上浮析出,容易产生气孔。液态铝合金的流动性好,表面张力低,焊接过程的不稳定造成焊接熔池剧烈震荡,易产生咬边、成形不连续,严重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(ProcessHoles),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不同金属对激光的吸收率5.4YAG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牢固的焊点和焊缝。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特征A、非接触加工，不需对工件加压和进行表面处理。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、不需要填充金属、不需要真空环境（可在空气中直接进行）、不会像电子束那样在空气中产生X射线的危险。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，还可通过透明材料的壁进行焊接。H、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路同时或分时焊接。I、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。J、很容易搭载到自动机、机器人装置上。K、对带绝缘层的导体可直接进行焊接，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很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，从图中相交位置发现像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。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ZnAl6~ZnAL22.3之间获得，对相近的ZnAl5而言，可得到富Al的α混合晶体，而ZnAl22可得到富Al的β混合晶体。由于连接时部分铝材会熔化，考虑将ZnAl2作为填丝，以得到ZnAl6~ZnAl22.3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w（Mg）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。w（Ag）1%~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。在此将研究ZnAl，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用DX56D+Z，铝板采用AA6016（AlMg0.4Si1.2Mn）或其改进的材料品种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3Zn基合金材料的性能测定3.1ZnAl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7ZnAl合金的硬度图8合金的抗拉强度和伸长率3.2ZnAl合金的力学性能ZnAl2合金由ZnAl2熔化后加入Ag，Bi制成，其力学性能见表1表1合金的力学性能3.3ZnAl4合金的力学性能ZnAl4合金由ZnAl4熔化后加入Cu制成，力学性能见表2表2ZnAl4合金的力学性能3.4ZnAl20合金的力学性能ZnAl20合金由ZnAl20熔化后加入Ag，Bi制成，力学性能见表3表3ZnAl20合金的力学性能4.ZnAl基合金焊缝材料的性能测定4.1ZnAl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度，对整个焊接后的接头（长230mm，宽200