新型焊接方法--鋁鋰合金的激光復(fù)合焊

現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展趨勢(shì)是：大力發(fā)展高比強(qiáng)、高比模、抗腐蝕、耐高、低溫的多功能結(jié)構(gòu)材料，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重；提高材料與結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，降低制造成本和維護(hù)成本�，F(xiàn)代機(jī)體材料仍以鋁合金為主，鋼用量趨于減少，鈦合金用量顯著增加。航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要材料有鋁合金、鈦合金、高溫合金以及各類高溫復(fù)合材料等。鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個(gè)領(lǐng)域。

鋁鋰合金簡介

工業(yè)生產(chǎn)鋁鋰合金指含Li量1％~3％，以Li作為主要強(qiáng)化元素的鋁合金。合金中加入Li的目的是增加合金的彈性模量，降低合金的密度（密度比一般鋁合金低5％~12％，彈性模量高5％~8％）。鋁鋰合金具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、優(yōu)良的低溫性能、良好的耐腐蝕性能和卓越的超塑成型性能；其強(qiáng)度、斷裂韌性、屈服強(qiáng)度、疲勞性能都是隨著溫度的降低而提高；它有良好的超塑性，可以制成形狀復(fù)雜、難以成形的零件，減少勞動(dòng)強(qiáng)度和減輕結(jié)構(gòu)的重量。用其取代常規(guī)的鋁合金可使構(gòu)件質(zhì)量減輕15%，剛度提高15%~20%，被認(rèn)為是航空航天工業(yè)中的理想結(jié)構(gòu)材料。在該領(lǐng)域，鋁鋰合金己在許多構(gòu)件上取代了常規(guī)高強(qiáng)鋁合金。

從空客A380選材的分布來看（圖1），鋁合金占的比重最大，達(dá)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的61%，因此要實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，必須開發(fā)創(chuàng)新的鋁合金材料和工藝技術(shù)，具體是提高強(qiáng)度和損傷容限，加強(qiáng)穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力�？湛虯380使用了2099、2199、2196等鋁鋰合金。用于A380的地板梁，如橫梁、座椅滑軌、座艙以及應(yīng)急艙地板結(jié)構(gòu)、電子設(shè)備安裝架及角形物，可減重幾百公斤。俄羅斯下一代窄體客機(jī)MS-21將采用復(fù)合材料機(jī)翼和尾翼，而機(jī)身將由先進(jìn)合金如鋁鋰合金制成。

圖1  空客A380結(jié)構(gòu)件的材料分配

激光復(fù)合焊技術(shù)

隨著激光焊接技術(shù)在工業(yè)中的成熟應(yīng)用，激光焊接技術(shù)的不足之處也日漸顯露。首先，激光焊接設(shè)備投資大，電效率低（一般低于10％，當(dāng)前光纖激光器的出現(xiàn)激光的電效率才提高到30％左右）；其次是對(duì)工件的焊接裝配精度要求高，如對(duì)接間隙、錯(cuò)邊量要求小于0.1mm或板厚的10％，這不僅需要專門的夾具和加工，也給實(shí)際應(yīng)用帶來很大的困難；再者大功率激光焊接過程的等離子體對(duì)激光的吸收、反射作用，降低焊接穩(wěn)定性和激光能量的利用率，且高焊接速度導(dǎo)致焊接接頭快速凝固，易引起氣孔、咬邊缺陷，焊縫組織脆性，甚至出現(xiàn)焊接裂紋；此外對(duì)于高反射率材料（鋁合金、銅合金）難以實(shí)現(xiàn)激光焊接。針對(duì)這些問題，國內(nèi)外學(xué)者一直在致力于提高激光焊接適應(yīng)性的研究，目前最主要的途徑是采用激光－電弧復(fù)合焊接的方法。

激光焊與另一種焊接方法相結(jié)合的焊接技術(shù)稱為“激光復(fù)合焊接（LASER Hybrid Welding）”，其中，激光束和電弧同時(shí)作用于焊接區(qū)，互相影響和作用稱為“激光-電弧復(fù)合焊接”。激光焊接與電弧焊接是兩種不同的焊接工藝，通過激光與電弧的相互影響，可克服每一種方法自身的不足，進(jìn)而產(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)，從而獲得優(yōu)良的綜合性能，在改善焊接質(zhì)量和生產(chǎn)工藝性的同時(shí)，提高效率/成本比。另外激光復(fù)合焊接工藝還具有更好的間隙容忍性、高的焊接速度以及優(yōu)秀的機(jī)械性能，因而對(duì)航空制造業(yè)來說具有極大的吸引力和經(jīng)濟(jì)效益。

在德國、日本等發(fā)達(dá)國家，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)廣泛適用于從薄板小變形到厚板的高速焊接、適用于鋁合金及異種材料的焊接。激光-電弧復(fù)合焊接充分發(fā)揮了激光和電弧焊接的優(yōu)勢(shì)，有效地提高了焊接效率，縮短了焊接工序周期；特別在鋁合金等難焊接金屬中，能在不同程度、不同方面減少或消除焊接缺陷。由于經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)實(shí)用性的突出優(yōu)勢(shì)，將在航空航天制造業(yè)中廣泛應(yīng)用。

鋁鋰合金的激光復(fù)合焊接

圖2是激光-等離子復(fù)合焊接5A90鋁鋰合金的現(xiàn)場(chǎng)照片，圖3則是激光-MIG復(fù)合焊接5A90鋁鋰合金。

圖2  激光-等離子復(fù)合焊接5A90鋁鋰合金

圖3  激光-MIG復(fù)合焊接5A90鋁鋰合金 

采用激光-電弧復(fù)合焊焊接鋁鋰合金，能夠提高熔深和焊接速度，放寬對(duì)接焊縫的間隙限制，增加實(shí)際焊接中工件的裝配裕度。由于電弧對(duì)激光的輔助作用，還可以增強(qiáng)對(duì)鋁這樣的反光率高的金屬的焊接能力，提高可焊性及焊接穩(wěn)定性。圖4 是5A90鋁鋰合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接焊縫形貌。

圖4  5A90鋁鋰合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接焊縫形貌

采用YAG激光-等離子電弧復(fù)合焊焊接鋁鋰合金可使焊接速度提高，焊接過程穩(wěn)定，焊接質(zhì)量提升，更進(jìn)一步講，復(fù)合導(dǎo)致了效率增加以及焊接適應(yīng)性的增強(qiáng)。