激光焊接技术在铝合金铸件中的应用

李彬,刘晶,郭政鑫

中车大同电力机车有限公司车体车间 山西大同 037000

摘要：激光焊接技术是目前阶段较为常用的一种动态化焊接方式，自身具有速度快、深度大、变形小等优势，对使用环境的要求并较低，且可以通过电磁场，在气体环境中施焊，对异性材料的施焊效果较佳。

关键词：激光焊接；技术；铝合金；铸件；应用

1 激光焊接技术的相关概述

1.1 激光焊接技术原理

激光焊接，其本质属于熔融焊接技术，以激光束为主要能源，通过一定的冲击力，完成焊件的焊接工作。其激光束的产生需要通过光学振荡器来实现，大功率的激光束作用于金属表面后，可以快速将金属汽化，当熔融金属液包裹汽化孔后，可以在应力反作用下和加热冷却的方法下，形成焊缝，最终完成对金属的焊接工作。需要注意的是，激光束在不同功率下有着不同的密度，对焊缝的深浅度也有影响，随着激光束密度的提高，会加大熔深程度，焊缝更深。反之，则会降低熔深程度，熔深更浅。

1.2 激光焊接技术的优缺点

激光焊接技术所具有的优势，在当前的汽车制造中发挥着重要作用。主要表现在以下几个方面：实际焊接受到的热影响范围小，变形量也较低。焊接的质量和精度较高，能在保证质量的前提下保证美观度。具体焊接操作较为灵活，效率高，可以满足企业需要。施工噪音小，且有着不俗的节能效果。适用于质地脆、强度高和熔点高的材料焊接。

不过，激光焊接技术也有一定的缺陷，具体表现为：对焊接的位置要求高，需要注重焊接要求的范围。不适用于厚度大的材料。当焊接材料有着高导热性时，会影响焊接效果。能量转换效率低，同时焊道的凝固时间较快，一定程度上制约了焊接效果。

2铝合金焊接技术

随着人类工业技术的不断发展，铝合金的焊接技术与新型铝合金材料被运用到各行各业中，如航空航天、交通运输、装甲结构等。焊接结构的不同和服役环境的各异决定了焊接方法与工艺的选取。因此，许多学者对Al-Zn-Mg-Cu的7系铝合金焊接进行了大量研究。目前铝合金焊接传统的焊接方式有钨极氩弧焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、激光焊(LBW)等。

但是伴随着工业产品的种类要求越来越多样，使用环境越来越严格，对焊接的技术要求也朝着高适应度与更快捷的方向前进。为此，各国科研者和制造企业又陆续开发出了几种较新的焊接方式，如双丝MIG焊、激光-MIG复合焊、搅拌摩擦焊。它们各自都有不同的特性，适合于不同的场合，所适配的材料种类也不尽相同，它们几种焊接方法的简单特性如下。

(1)双丝MIG焊

双丝MIG焊由美国公司开发的Twinarc双丝焊接系统和德国Cloos公司开发的Tandem。前者的两根焊丝使用不同的送丝系统，但是共用一个喷嘴、导电嘴。后者是将两种焊丝装在一个特制的焊枪中，但是控制系统却相互独立。前者的操作方式简单，但是电弧间的互斥性大，很难进行高精度工作。后者拥有自动数字化协同器，可以调节各项参数，如脉冲电流、送丝速率，所以它的电弧工作稳定。有研究表明，使用双丝MIG焊焊接7A52铝合金可以得到强度比单丝MIG焊高6%~11%强度的焊接接头。双丝MIG焊得到构件的力学性能更加优秀，满足各种场合的实际使用。此外，显微组织观察发现，微观的组织也更加细密，焊缝中的晶粒尺寸大小更加的均匀，分布合理。而且变形程度也小，对于7A52铝合金的焊接，双丝MIG焊的优势更大，是一种更加有效、广泛的连接手段，可以进一步应用于实际生产之中。

(2)激光-MIG复合焊

激光-MIG复合焊具有焊缝熔池深度大、焊接速度快、焊缝成形干净等特点，它综合了LBW焊和MIG焊各自的特点，即电弧的大加热面积和激光高能量输入的相结合。并且基于激光与电弧的相互影响，提高激光能量的耦合特性，改善电弧的稳定性。徐佳诚等人对2024铝合金进行激光自熔焊与激光-MIG复合焊，对比两种接头的性能。结果表明激光-MIG复合焊接头强度达到335MPa，为母材抗拉强度的73%，而激光自熔焊只能达到262MPa，为母材抗拉强度的57%。

(3)搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊(FSW)是于1991年英国焊接研究所开发的一项专利技术。它是通过快速转动的搅拌头与被压试件之间的相互作用，通过快速摩擦在界面及附近区域产生热量，将材料加热至塑性状态，并在搅拌头和牵引针的力-机作用下，完成固相连接的一种焊接。它在焊接过程中不涉及熔融的金属，所以搅拌摩擦焊的接头性能良好，能够消除熔化焊时易出现的裂纹、气孔等问题。Rao等人采用搅拌摩擦焊对25mm厚的AA7075-T651铝合金进行单面焊接，研究发现焊缝成形完好，没有缺陷。热机影响区为硬度最小的区域，且拉伸断裂也在此处，为薄弱环节。赵志霞等人采用搅拌摩擦焊的方式对喷射成形7055铝合金进行研究，比较焊接接头在空冷和水雾冷却条件下FSW接头组织与性能。研究表明，在搅拌头转速为1300rpm，焊接速度为75mm/min时，水雾冷却条件下的接头强度达到最大，为488MPa，为母材强度的77%，相比空冷条件下的最大强度高出8.8%，但是延伸性能略有下降。

3激光焊接技术的铝合金铸件应用方案

3.1铸件坡口调整

铝合金铸件的坡口设定对后续的焊接处理及铸件调整效果而言十分重要。可以先以空心轴作为铸件的支撑核心点，采用双向抗拉的方式在坡口的两侧设定辅助标记结构，作为初期的焊接环境，并测算出具体的焊接间距。

3.2激光焊接入射角度确定

在使用激光焊接技术时，还需要确定激光焊接入射角度。首先，调节激光束冲击角度，采用MIG电弧焊连的方式将两块铝合金板焊接，随后，使用厚320mm×100 mm×10 mm、长200 mm×180 mm×15mm的方式过渡板对两块铝合金板进行承压处理，形成一个稳定的构筑结构。随后，利用激光焊接技术在铝合金板的核心位置打下若干个气孔，按照EN15085-3焊接标准调整此时的铸件坡口覆盖范围，将整体的形状逐渐调整为I形坡口或者Y形坡口，测出此时的激光束覆盖区域。

3.3 焊缝激光布设及分层锤击处理

焊缝设定一般具有较强的关联性，可以先在铝合金铸件的坡口处设定一处均衡焊接点，利用激光焊接设备设定好入射角后，测定出铸件焊缝的连接面积，在标记范围内分阶段设定焊接接头。

随后，将焊接电机轴与激光所指的方向进行顺延设定，与焊缝、角焊缝形成搭接，设定入射角度为95°，并构建激光焊缝布设结构。

结合激光焊接技术，对焊缝进行标记处理及应变布设。再采用锤击法对逐铸件对焊缝进行适当锻延，以减少铸件内部的缝隙，增强关联密度，补偿收缩，减小变形问题发生的概率。需要注意的是，对铸件的锤击也需要适宜的温度进行辅助焊接，在焊接过程中应确保周围的铸件的温度在225℃～480℃之间。需要利用高温回火处理零件和及铸件的焊接工具，消除焊接残余应力，最大程度缩小零件尺寸标准位移，当炉内缓冷，铸件温度铸件恢复正常后，依据焊接的形式尺寸大小及结构形式选取合理的焊接数值，完成焊缝布设，至此，基本铸件框架形成。

4结语

激光焊接技术的覆盖范围相对更大，应用过程中所形成的焊接环节更为灵活、多变，具有更强的针对性，能够加强对焊接点的控制，提升铝合金铸件的抗拉强度，具有一定应用价值。

参考文献：

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