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作者: 发布时间:2014-10-10 来源: 繁体版
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
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%。Eyk自动化在线网
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与钢铁材质对比Eyk自动化在线网
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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。Eyk自动化在线网
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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。Eyk自动化在线网
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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。Eyk自动化在线网
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焊接方法Eyk自动化在线网
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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。

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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。Eyk自动化在线网
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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。

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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:Eyk自动化在线网
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保持材料的清洁和干燥,包括填充焊丝和铝箔;Eyk自动化在线网
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);Eyk自动化在线网
清理焊接点,需要的话去除“多孔”氧化物;Eyk自动化在线网
使用保护气体。Eyk自动化在线网
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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。Eyk自动化在线网
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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):Eyk自动化在线网
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使用局部贯穿焊接;Eyk自动化在线网
重新设计部件来避免贯穿焊接;Eyk自动化在线网
使用焊道底基底材料(例如铜)。

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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。

铝合金车身的激光焊接工艺
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