淺析鋁合金激光焊接工藝

王金虎

摘 要：鋁合金是工業生產中的一種重要的輕金屬材料。相對于鋁合金的傳統焊接工藝，激光焊接工藝具有諸多優勢。激光是一種高能量密度熱源，具有較快的焊接速度和較小的熱輸入，使焊焊接件變形較小，生產質量較為優異。

關鍵詞：鋁合金；激光焊接工藝

鋁合金具有良好的物理、化學和機械性能，被廣泛應用于航空航天、造船、高速列車和汽車制造等行業，是工業生產中一種重要的輕金屬材料。在飛機、船舶和汽車等運載工具制造業中，為了減輕其自重，提高運載能力，鋁合金作為薄壁結構的使用率越來越高。但是，鋁合金板的連接方式長期使用落后的鉚接工藝。這是因為，傳統的焰焊工藝具有諸多弊端。由于鋁合金對激光具有高反射性，激光焊接鋁合金異常困難，必須采用大功率激光器，并且采取特殊的工藝才能達到理想的焊接效果。

一、鋁合金激光焊接技術的發展現狀

國內外科研工作者們在新型激光焊接設備的研發領域進行了堅持不懈的研究。同時焊接工作者們通過大量實驗，對諸如激光-電弧復合焊接、雙光束激光焊接和電流強化C02激光焊接等新型焊接工藝進行了研究。兩者共同推進了鋁合金激光焊接技術的進步。

1.鋁合金的激光-電弧復合焊接

激光-電弧復合焊接是一種高能激光束與電弧共同作用的焊接，可分為激光-等離子體弧復合焊接、激光-TIG復合焊接和激光-MIG復合焊接等多種激光-電弧復合焊接。在激光-電弧復合焊接研究初期，主要是利用電弧作為附加熱源來彌補當時激光器功率不足的缺陷，以焊到更大的焰深。后來的相關研究發現，激光-電弧復合焊接還可以降低金屬在溶化前對激光的反射率，減少焊接缺陷，提高焊接速度和焊縫質量。

2.鋁合金的雙光束激光焊接

雙光束激光焊接是把一束激光分成功率不同的兩束激光或者將兩束激光復合的激光焊接技術。兩焦點的分布有平行、成一定角度和垂直等分布方式。單光束激光焊接鋁合金時，由于匙孔的塌陷，會發生飛濺和導致氣孔等缺陷。雙光束激光焊中可以獲得相對較寬的焊寬和較小的焊縫深寬比，能夠加強鋼孔的穩定性，減少氣孔等缺陷的出現。第一束激光對其產生的鋁池周圍的鋁合金進行預熱，第二束激光照射此處時，加之之前積累的能量，能夠溶化更多的鋁合金，形成較寬的溶池，使氣化的金屬蒸氣經由較大的空間上浮逸出，減少飛濺現象。另外，由于第二束激光能將第一束激光形成的胡孔的后壁氣化，可以避免鑰孔發生塌陷，可以減少氣孔等缺陷的出現。

3.鋁合金的電流強化C02激光焊接

有學者研究發現，采用C02激光器進行焊接時，焊接溶池中存在幾安培的固有電流，那么，如果在焊接區域施加一定的外磁場，就可以影響鋁池的流動狀態。所以，在焊接區域施加某種形式的外磁場，就有可能改善鋁合金激光焊接過程的穩定性，提高焊縫質量。

二、鋁合金激光焊接的難點、缺陷及其相應的改善措施

激光焊接具有較為突出的優勢，可以使金屬實現快速而有效的連接。但是，由于鋁合金的固有特性和其他原因，鋁合金激光焊接存在諸多難點和缺陷，需要適當的采取若干改善措施，曾能成功實現鋁合金的激光焊接。

由于鋁合金具有高導熱性和對激光高反射性的特點，使其在未鋁化時對激光的吸收較差，效率較低，“小孔”的誘導比較困難。所以，應當采取適當的表面預處理措施，來提高鋁合金對激光的吸收率。車加工及傳統加工、電解拋光、噴砂、陽極氧化、砂紙打磨、表面化學浸燭、表面鍍、石墨涂層、空氣爐中氧化等表面預處理措施均可以提高鋁合金對激光的吸收率。另外，通過調整激光器參數和合理設計焊接結構等措施也可以提高鋁合金對激光的吸收率。比如，可以選用低階模輸出和短焦距透鏡，增大激光功率密度，減小光斑尺寸，提高鋁合金對激光的吸收率。還可以將工件坡口設計成具有一定的傾斜角度，使焊激光束可以在空隙中實現多次反射，形成一個人工的“小孔”，從而提高鋁合金對激光束的吸收率。

氣體不易析出，易產生氣孔。當鋁合金被激光束照射并加熱到溶化狀態時，鋁合金吸附的部分氣體在被釋放出來，在溶融金屬中的溶解度增大，由于激光焊接焊縫的冷卻速度較快，使焊溶池的存在時間較短，溶解的氣體來不及從溶融的鋁合金中上浮逸出，于是在焊縫中間和表面形成氣孔，嚴重影響焊接接頭的力學性能和氣密性。為了減少氣孔生成，可以釆取的措施有：a.選擇合適的表面處理措施，切斷形成氣孔的氣體來源。b.采用合理的工藝參數，使焊溶融金屬中溶解的金屬盡快上浮逸出。c.釆用合適的保護氣體和合理的氣體保護方式，加強激光焊接的氣體保護。

由于激光焊接溶池的冷卻和凝固速度較快，鋁合金屬于典型的共晶合金，所以，鋁合金激光焊接時更容易產生熱裂紋。激光-電弧復合焊接、激光填絲焊接、激光填粉焊接等新型激光焊接均可以有效減少激光焊接時熱裂紋的產生。另外，如果采用脈沖激光焊接時，合理優化脈沖波形，以控制熱輸入量，也可以減少熱裂紋的產生。激光焊接過程中，鎂和鋅等低焰點元素容易被燒損，破壞了原來的合金強化作用，使得焊接接頭的力學性能降低?？梢葬娙〖す馓罘酆附樱a充焊接過程中燒損的鎂和鋅等低溶點元素，恢復合金原來的強化作用，提高焊接接頭的力學性能。

近年來，國內外諸多學者致力于克服鋁合金的激光焊接難點，消除鋁合金激光焊接的缺陷，潛心鉆研，不斷推出鋁合金激光焊接的新方法。另外，隨著大功率、高性能激光器的研制成功，鋁合金激光焊接工藝正在飛速發展。

三、結語

綜上，除了以上提到的激光-電弧復合焊接、雙光束激光焊接和電流強化C02激光焊接，激光填絲焊接、激光填粉焊接、順序電弧激光焊接和激光輔助焊接等新型激光焊接工藝的研究也取得了質的飛躍，這在很大程度上解決了鋁合金激光焊接中存在的諸多難點，減少甚至避免了鋁合金激光焊接的缺陷，使得工業生產的各領域能夠更加廣泛的使用鋁合金材料，為推動裝備制造技術的飛速發展作出了巨大的貢獻。

參考文獻：

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