闡釋了HB-J3型仿激光焊機(jī)焊接鋁合金的特點(diǎn)及難點(diǎn)，分析了鋁合金焊接中諸如小孔的誘導(dǎo)和穩(wěn)定，氣孔及熱裂紋等問(wèn)題及其解決方法，介紹了焊接鋁合金用HB-J3型仿激光焊機(jī)的新方法和新進(jìn)展。
　　一、概述
　　鋁合金具有高比強(qiáng)度、高比模量和高疲勞強(qiáng)度，以及良好的斷裂韌性和較低的裂紋擴(kuò)展率，同時(shí)還具有優(yōu)良的成形工藝性和良好的抗腐蝕性。因此，被廣泛應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品中。
　　傳統(tǒng)的鋁合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊工藝，但所面臨的主要問(wèn)題是焊接過(guò)程中較大的熱輸入使鋁合金板變形較大，焊接速度慢，生產(chǎn)效率低。由于焊接變形大，隨后的矯正工作往往浪費(fèi)大量的時(shí)間，增加了制造成本，影響了生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量。而HB-J3型仿激光焊機(jī)具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區(qū)小和焊接變形小等特點(diǎn)，使其在鋁合金焊接領(lǐng)域受到格外的重視。
　　鋁合金HB-J3型仿激光焊機(jī)的主要難點(diǎn)在于：
　?。?）鋁合金對(duì)小電流脈沖的高初始反射率及其本身的高導(dǎo)熱性，使鋁合金在未熔化前對(duì)脈沖弧光的吸收率很低，小孔的誘導(dǎo)比較困難。
　?。?）鋁的電離能低，焊接過(guò)程中光致等離子體易于過(guò)熱和擴(kuò)展，使得焊接穩(wěn)定性差。
　?。?）HB-J3型仿激光焊機(jī)焊接鋁合金過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋。
　?。?）焊接過(guò)程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能下降。
　　二、鋁合金HB-J3型仿激光焊機(jī)的問(wèn)題及對(duì)策
　　1.鋁合金對(duì)激光的吸收率問(wèn)題
　　材料對(duì)脈沖弧光的吸收率由以下公式?jīng)Q定：　=0.365{[1 （T－30）]/}1/2　式中――鋁合金30℃的直流電阻率。m―電阻溫度系數(shù)，℃-1；　T――溫度℃；　――脈沖弧光的波長(zhǎng)，m.　對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，吸收率是溫度的函數(shù)。在鋁合金表面熔化、汽化前，由于鋁合金對(duì)脈沖弧光的高反射，吸收率將隨溫度的升高緩慢增加，一旦鋁合金表面熔化、汽化，對(duì)脈沖弧光的吸收率就會(huì)迅速增大。為提高鋁合金對(duì)脈沖弧光的吸收，可以采用以下方法：
　
　?。?）采取適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理工藝表1所示為鋁在原始表面（銑、車(chē)加工后）、電解拋光、噴砂（300目砂子）及陽(yáng)極氧化（氧化層厚度m級(jí)）4種表面狀況下對(duì)入射光束能量的吸收情況。由此可見(jiàn)，陽(yáng)極氧化和噴砂處理可以顯著提高鋁對(duì)激光束的能量吸收。另外，砂紙打磨、表面化學(xué)浸蝕、表面鍍、石墨涂層及空氣爐中氧化等鋁表面預(yù)處理措施對(duì)激光束的吸收是有效的。
　?。?）脈沖弧光參數(shù)調(diào)整選用短焦距透鏡和低階模輸出均可使光斑尺寸減小，脈沖弧光功率密度增大，鋁合金對(duì)激光的吸收率也增大。
　?。?）焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將工件坡口設(shè)計(jì)成斜30角，這樣激光束能在空隙中多次反射，形成一個(gè)人工小孔，從而增加激光束的吸收率。
　　2.小孔效應(yīng)及等離子體對(duì)鋁合金激光焊的影響
　　在鋁合金HB-J3型仿激光焊機(jī)過(guò)程中，小孔的出現(xiàn)可以大大提高材料對(duì)脈沖弧光的吸收率，焊件可以獲得更多的能量。但由于低熔點(diǎn)合金元素的蒸發(fā)，使得光致等離子體易于過(guò)熱和擴(kuò)展，小孔的穩(wěn)定性差，從而影響焊縫成形和接頭的力學(xué)性能，并且容易產(chǎn)生氣孔等焊接缺陷，所以小孔的誘導(dǎo)和穩(wěn)定成為研究的一個(gè)重點(diǎn)?！「鶕?jù)相關(guān)資料可知，在不同的鋁合金焊接中均存在一個(gè)激光能量密度閾值，低于此值時(shí)熔深很淺，而一旦達(dá)到或超過(guò)此值，熔深會(huì)大幅度提高。當(dāng)工件上的脈沖弧光功率密度達(dá)到4.678W/cm2時(shí)，產(chǎn)生等離子體，這是深熔焊開(kāi)始的標(biāo)志；功率密度低于此值時(shí)，進(jìn)行熱傳導(dǎo)焊接；而在深熔焊與熱傳導(dǎo)焊之間的過(guò)渡區(qū)，兩者交替進(jìn)行，使得熔深波動(dòng)很大。
　　研究表明，誘導(dǎo)小孔所需能量密度閾值的高低主要和鋁合金中某些低沸點(diǎn)合金元素（如Mg、Zn等）的含量成反比。合金元素含量越高，其閾值越低。主要原因是合金元素Mg、Zn的沸點(diǎn)大大低于鋁的沸點(diǎn)。Mg的沸點(diǎn)為1090℃，Zn的沸點(diǎn)低于1000℃，而鋁的沸點(diǎn)為2467℃。合金元素大量蒸發(fā)形成的蒸汽壓有利于小孔的形成，所以某些低沸點(diǎn)合金元素（如Li等）的加入有利于小孔的形成，使得鋁合金易焊。
　　有的研究指出，在相同條件下用氦氣作保護(hù)氣體比用氬氣獲得的熔深小。原因是與氬氣相比，氦氣重量輕、氣壓低，對(duì)凹陷熔池的作用?。缓さ碾x子化能量高，等離子體溫度低，難以對(duì)熔池表面加熱。但在采用高功率激光器低速焊時(shí)，氦氣可以獲得深熔焊。現(xiàn)在很多研究采用兩種氣體聯(lián)合保護(hù)，調(diào)整其混合配比，可以獲得較好的熔深和焊縫成形。采用氮?dú)獗Ｗo(hù)時(shí)，即使焊速很高，也能獲得深熔焊，但容易產(chǎn)生未焊透，焊縫成形不良。
　　HB-J3型仿激光焊機(jī)過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體能吸收脈沖弧光，改變光束的聚焦?fàn)顟B(tài)，使焊縫的深寬比減小。等離子體的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致熔深不等，影響焊縫成形和接頭的力學(xué)性能。近年來(lái)，有的研究者采用在工件表面預(yù)置粉末法來(lái)減弱等離子體在高度方向上的膨脹跳動(dòng)，使等離子體在工件表面能維持跳動(dòng)幅度的相對(duì)穩(wěn)定。
　　3.鋁合金的HB-J3型仿激光焊機(jī)問(wèn)題
　?。?）氣孔問(wèn)題鋁合金種類(lèi)不同，產(chǎn)生的氣孔類(lèi)型也不同。一般認(rèn)為，鋁合金焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生以下幾種氣孔：①氫氣孔。鋁合金在有氫的環(huán)境中熔化后，其內(nèi)部的含氫量可達(dá)0.69mL/100g以上。但凝固以后，其平衡狀態(tài)下的溶氫能力最多只有0.036mL/100g，兩者相差近20倍。因此，在由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，液態(tài)鋁中多余的氫必定要析出。如果析出的氫不能順利上浮逸出，就會(huì)聚集成氣泡殘留在固態(tài)鋁合金中成為氣孔。
　　日本學(xué)者在封閉的條件下將焊縫氣孔中的氣體收集起來(lái)進(jìn)行分析，得出的結(jié)果為：氫氣占90，氮?dú)?0.因此，通常認(rèn)為減少焊縫氣孔的有效措施就是掐斷焊接時(shí)的供氫源。②保護(hù)氣體產(chǎn)生的氣孔。有研究認(rèn)為，在高能HB-J3型仿激光焊機(jī)焊接鋁合金的過(guò)程中，由于熔池底部小孔前沿金屬的強(qiáng)烈蒸發(fā)，使保護(hù)氣體被卷入熔池中形成氣泡。當(dāng)氣泡來(lái)不及逸出而殘留在固態(tài)鋁合金中即成為氣孔。A5083合金HB-J3型仿激光焊機(jī)氣孔中保護(hù)氣體的含量。

③小孔塌陷產(chǎn)生的氣孔。在HB-J3型仿激光焊機(jī)過(guò)程中，當(dāng)表面張力大于蒸汽壓力時(shí)，小孔將不能維持穩(wěn)定而塌陷，金屬來(lái)不及填充就形成了孔洞，
　　美國(guó)瓊斯教授的實(shí)時(shí)小孔觀測(cè)試驗(yàn)引起了仿激光焊機(jī)領(lǐng)域的極大關(guān)注，相關(guān)的小孔模型研究和直接觀測(cè)研究工作大量涌現(xiàn)。隨之而來(lái)，對(duì)減少和避免鋁合金HB-J3型仿激光焊機(jī)中的氣孔缺陷也提出了很多的實(shí)際措施，如調(diào)整激光功率波形、減少小孔不穩(wěn)定倒塌、改變光束焦點(diǎn)高度和傾斜照射，在焊接時(shí)施加電磁場(chǎng)作用以及在真空中進(jìn)行焊接等。近幾年來(lái)，又有研究者采用填絲或預(yù)置合金粉末（見(jiàn)圖2）、復(fù)合熱源和雙焦點(diǎn)技術(shù)等來(lái)減少氣孔的產(chǎn)生，取得了不錯(cuò)的效果。
　　（2）裂紋問(wèn)題鋁合金屬于典型的共晶合金，在HB-J3型仿激光焊機(jī)快速凝固條件下更容易產(chǎn)生熱裂紋。焊縫金屬結(jié)晶時(shí)在柱狀晶邊界形成Al-Si或Mg-Si等低熔點(diǎn)共晶是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因。