用于轻质合金的激光焊接和摩擦搅拌焊接

1、用于輕質合金的激光焊接和摩擦攪拌焊接講座作者 曹興金加拿大國家科學院 航天研究所 航天製造技術中心 研究員焊接是利用加熱的方法將兩個金屬件的連接處融化融合經冷卻固化而永久地連接在一起。火焰電弧電子束摩擦激光以及超聲波都可以作為加熱的熱源。在節能降耗的大趨勢下汽車工業不斷地開發新型輕質汽車材料和特種性能汽車材料來減輕汽車自身重量從而緩解能源問題焊接技術也隨之不斷發生變化。激光作為一種高效高能量密度的熱源其應用在航空及汽車工業呈上昇趨勢。例如激光焊接已經用于空中客車底部機身的焊接A316可焊接兩塊板共110米長, A340十四塊 板共800 米長, A380十塊板共650米長。 汽車車身鋁合金外殼

2、以及汽車 底盤中 鋁合金部份的 焊接也大量應用激光焊接技術。摩擦攪拌焊接作為低能耗高 效的焊 接技術已經成功地應用於商用私人飛機機身焊接以及火車車身焊接。本文將著重介紹這兩種用于輕質合金的焊接技術。一: 激光焊接1 什麼是激光焊接? 如圖一所示激光束被聚焦成一個很小的光圈很高的能量都集中在這一小小的光圈內。光圈沿著金屬連接縫處掃描所到之處局域金屬被瞬間融化並融合融合的金屬隨著冷卻固化而被永久連接在一起。圖一: 激光焊接示意圖雖然激光有很多種但是可以應用在金屬焊接方面的激光按照光源主要可以分成兩類: 二氧化碳激光和Nd:YAG激光。 其基本技術參數比較如下:激光技術參數比較激光波長最高功率CO2

3、 激光10.6 微米50 千瓦Nd:YAG 激光1.06 微米6 千瓦Nd:YAG激光屬於近紅外光用普通標準的光學鏡片就可以聚焦成0.001英寸大小的 光圈。CO2 激光屬於遠紅外光需要用特殊的光學鏡片才可以聚焦成0.0030.004 英寸大 小的 光圈。對光的反射是金屬的本性之一激光作為光的一種同樣可以被金屬反射掉。因此激光在金屬焊接的應用中存在潛在問題 即在焊接過程中激光容易被反射率 高的金屬反射掉因而損耗焊接能量。同Nd:YAG 激光相比CO2激光波長較長 容易被反射率高的金屬反射掉 (CO2激光能量損耗率達到 8090%)而 Nd:YAG 激光波長較短其能量損耗率只有 2030%。即便

4、是反射性強的金 屬 (例如金 銀銅鋁) 也可以吸收Nd:YAG 激光的能量而被焊接。CO2 激光比Nd:YAG 激光能量輸出高。由於CO2 激光和Nd:YAG 激光截然不同的性質它們的應用 範圍也大不相同。2 激光焊接的主要工藝參數激光焊接的主要工藝參數包括激光能量激光束直徑激光聚焦面位置焊接速度保護氣體添料及添料速度金屬成份厚度表面狀況焊接件設計等等。在同樣的焊接速度下激光能量越高融合區的寬度和厚度就越大。如果激光能量固定那麼焊接速度越快融合區的寬度和厚度就越小。激光焊接的主要設備包括激光儀工業機械手縫隙跟蹤系統進線機電控磁性夾具。3 激光焊接的優點與缺點:二十年前激光焊接還處於起步階段應用

5、範圍只限於其他焊接技術作不到的情況。而現如今激光焊接已經用于大規模工業生產例如航天汽車工業以及生產打火機手錶彈簧馬達電池等等。目前激光焊接技術應用的瓶頸仍然是成本問題。激光焊接的優點在於低而精確的熱輸入熱影響區小深而窄的焊接區工藝過程可控可靠可用于焊接大部份金屬(如鋼鋁鎂超合金) 也可用于焊接不同 金屬材料。激光焊接的缺點在於設備和操 作成本高對夾具的精準度要求高對 安全操作的要求高 (例如眼睛保護) 。鎂鋁合金的激光焊接的主要問題在於: (1) 對激光束的吸收低和高熱導率(2) 強氧 化性(3) 容易形成孔洞(4) 低熔點的金屬間化合物析出時產生裂紋(5) 固化 裂紋(6) 低熔點合金元素的

6、損失(7) 殘餘應力以及變形。 以上種種問題 都會導 致金屬焊接處機械性能的降低。由於鎂鋁合金有很強的親氧性在焊接時應該使用保護氣體例如氬氣和氦氣。二: 摩擦攪拌焊接1 什麼是摩擦攪拌焊接?摩擦攪拌焊接是1991年於英國的焊接研究院(TWI) 發明的。之後TWI立即在世界 範圍內申請專利。此後該項焊接技術受到全世界的關注並迅速得到成功的應用。正如許多專業人士所預期的那樣如今很多公司應用摩擦攪拌焊接技術焊接鋁合金。目前在全世界有100多家公司和組織註冊使用該項技術。例如商用私人噴氣式飛機 Eclipse 500機身的焊接, 火車車身的焊接汽車輪箍都利用摩擦攪拌焊接 技 術。目前利用摩擦攪拌焊接鋁

7、合金已經是一項成熟的技術了鉛合金鋅合金以及銅合金的摩擦攪拌焊技術接即將成熟而得到應用。另外摩擦攪拌焊接也是潛在的用于焊接鎂合金鎂合金與鋁合金鈦合金鎳合金以及複合材料的理想技術這方面的研究與開發還在進行當中。與傳統的焊接過程不同摩擦攪拌焊接是一個全新的固態熱機械連接過程。如圖二所示在摩擦攪拌焊接時兩塊金屬板被緊緊夾在一起一個高速旋轉的圓柱形工具帶動其底部的一個堅硬而細小的金屬針該金屬針慢慢壓入兩塊金屬板之間的接縫處因摩擦而生成的熱將接縫處的金屬在固體狀態下攪拌融合並永久地連接在一起。圖二: 摩擦攪拌焊接示意圖2 鎂合金的摩擦攪拌焊接摩擦攪拌焊接的主要工藝參數包括圓柱形工具的旋轉速度焊接速度壓力壓

8、肩深度傾斜角度以及針軸位置。近年來鎂合金的應用已經得到工業界的廣泛關注。鎂合金在地球上的儲量位居第六在海水中儲量位居第三。重量輕比強度高可鑄性好機加工性能好可回收。鎂合金因以上優點而被譽為21世紀最重要的材料。那麼鎂合金的摩擦攪拌焊接技術也成為研究領域的一個熱點。目前的研究表明經過摩擦攪拌焊接的鎂合金往往會會有孔洞但是有趣的是當圓柱形旋轉工具的壓入深度大於0.17mm的時候孔洞形成的機會就會大大地降低了。旋轉工具所使用的壓力直接影響到這個壓入深度一般說來在焊接的開始階段(即100mm以內)即使壓力恆定壓入深度也是不穩定的。在焊接的中期 (即100300mm)壓入深度才保持恆定而且壓力越大這個壓

9、入深度也越深。當壓力超過7.75KN的時候壓入深度都會大於0.17mm。還有實驗表明當旋轉工具的旋轉速度和焊接速度都增大時焊接處金屬表面會更加光滑。焊接處金屬顯微圖像表明焊接處的金屬晶粒較熱影響區和基體金屬的大些所以焊接處金屬的硬度要比基體金屬的小些。當焊接速度增大時晶粒會增大硬度會下降。焊接處的金屬的屈服強度和延展性隨着旋轉工具的旋轉速度的增大而稍稍下降拉伸強度會稍稍增加。屈服強度和拉伸強度都會隨着焊接速度的增大而增大。由此可見工具的旋轉速度和焊接速度要適當地平衡才可以得到最佳的機械性能。3 摩擦攪拌焊接的優點與缺點: 一方面由於是固態焊接過程摩擦攪拌焊接技術能耗低高效無須保護氣體無須填料低孔隙率