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铝合金激光焊接技术的应用与发展

2015-05-05 10:53
黯影冰风
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  随着激光技术和铝合金研制技术的发展,进一步开展铝合金激光焊接应用技术基础研究、开发铝合金激光焊接新工艺,更有效地拓展铝合金激光焊接结构的应用潜力,从而了解铝合金激光焊接技术的应用现状及发展趋势就显得尤为重要。

  高强铝合金具有较高的比强度、比刚度,良好的耐腐蚀性能、加工性能和力学性能,已成为航空航天、舰船等载运领域结构轻量化制造不可或缺的金属材料,其中飞机应用最多。焊接技术在提高结构材料利用率、减轻结构重量、实现复杂及异种材料整体结构低成本制造方面独具优势,其中铝合金激光焊接技术是倍受关注的热点。

  与其他焊接方法相比,激光焊接光束能量密度可达109W/cm2,同时具有加热集中、热损伤小、焊缝深宽比大、焊接变形小等优势,焊接过程易于集成化、自动化、柔性化,可实现高速高精度焊接,并且焊接过程无需真空环境,不产生X-ray,特别适合复杂结构的高精度焊接。该技术在工业中所占比重已成为衡量一个国家工业加工水平高低的重要标志。如空客A380飞机和奥迪A8车就以激光焊接铝合金结构的应用作为其先进性的标志。因此,激光焊接是铝合金焊接技术的重要发展方向。

  随着材料技术的发展,各种高强高韧铝合金不断推出,尤其是第三代铝锂合金、新型高强铝合金的出现,对铝合金激光焊接技术提出了更多更高的要求,同时铝合金的多样性也带来了各种各样的激光焊接新问题,所以必须深入研究这些问题,才能更有效地拓展铝合金激光焊接结构的应用潜力。

  大功率激光器

  激光焊接是将高强度激光辐射至金属表面,通过激光与金属间热力耦合作用使金属熔化再冷却结晶形成焊缝的技术。根据激光焊接的热作用机制可分为热导焊和深熔焊两种,前者主要应用于精密零件的封装焊接或微纳焊接;后者在焊接过程中往往产生类似于电子束焊接的小孔效应,形成深宽比较大的焊缝。激光深熔焊接实现需要的激光功率高,该技术目前应用于激光深熔焊接的大功率激光主要有4种类型,其特点如表1所示。

  CO2气体激光的工作介质为CO2气体,输出10.6μm波长激光,按激光激发结构形式分为横流和轴流两种。横流CO2激光输出功率虽已达150kW,但光束质量较差,不适合焊接;轴流CO2激光具有较好的光束质量,可用于对激光反射率高的铝合金焊接,商用激光器功率也达到25kW。A318飞机铝合金下壁板就是采用的CO2双光束激光焊接。

  YAG固体激光工作介质是红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等,输出波长为1.06μm的激光。YAG激光比CO2激光更易于被金属吸收,并且受等离子体影响较小,为光纤传输,焊接操作灵活,焊缝位置可达性好,是目前铝合金结构焊接的主要激光器。光泵浦Nd:YAG固体激光由于高功率运转时泵浦灯输入能量产生大部分热损耗,造成激光腔温度升高、导致激光热透镜效应,使得YAG激光功率和光电能量转化效率低。近年来以半导体泵浦、激光泵浦代替光泵浦固体激光器,不仅光束质量得到改善,而且能量转换率和泵浦灯的使用寿命明显提高了,如近几年出现的Yb:YAGDisc激光,其激光能量转换效率达20%,光束质量比肩光纤激光器

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