淺論鋁合金激光焊接技術的應用與發展

張治軍

摘要：本文論述了鋁合金激光焊接技術的應用與發展，為鋁合金激光焊接技術的應用走可持續發展的道路提供了一定的見解。

關鍵詞：鋁合金激光焊接技術，應用與發展

一、引言

鋁合金作為飛機結構的理想材料具有低密度，高比強度和高比剛度，耐腐蝕性能好，抗疲勞性能較高以及低廉的成本、易于加工等一系列優點，加之新型鋁合金包括鋁鋰合金在飛機上的應用，以及傳統鋁合金新的熱處理狀態不斷出現，使得目前鋁合金在飛機上的用量仍約占50%-80%。顯而易見，鋁合金在飛機結構中的應用仍占有巨大的優勢。

二、對鋁合金激光焊接技術的應用現狀的分析與認識

（一）工藝特性及研究現狀

1. 焊縫成形及其影響因素

（1）光束反射與焊前表面處理

進行鋁激光焊接，首先碰到同時也是最難解決的問題就是鋁對入射光束的強烈反射。研究表明，

對CO2激光和YAG激光，鋁表面在室溫時的初始反射率都在90%以上，即遠遠高于鋼等黑色金屬。因

此，要想有效地對鋁進行激光焊接，就必須采取適應的表面預處理措施來降低反射，以改善吸收。

（2）合金元素蒸發與激光等離子體

和鋼相比，由于鋁的電離能低（Ef=6 eV），又含有大量的Mg、Zn、Li等低沸點元素，因此鋁激光焊接時、合金元素的蒸發和等離子體的產生都比鋼更為劇烈，而且對焊縫成形影響很大。研究表明，合金元素Mg、Zn等的過量蒸發燒損，將導致焊縫表面下凹。

（3）材料性能

鋁合金材料的表面張力、粘度、熱傳導率等物理勝能對其激光焊接時的熔化特性和焊縫成形影響很

大。經研究指出，較低的液體金屬粘度和熱傳導率有利于增大熔深；而較小的表面張力，一方面有利于金屬蒸汽產生和選出而在其反作用力的作用下加大熔深；另一方面又會導致液體金屬容易濺出熔池，而造成焊縫表面下凹。

（4）焊接工藝參數

鋁激光捍接的工藝參數主要有：激光功率、透鏡焦距、焦點位置、焊接位置、焊接速度、保護氣體種類及流量等。其直接決定著焊縫成形。

激光功率：激光功率是決定得縫熔深的主要因素。研究表明，鋁對入射光束的能量吸收在室溫時最低，而在處

于熔化狀志時卻很高，因此其存在著一個臨界入射光柬能量密度值（約為l06w/cm2 ），在透鏡焦距、焦點

位置等其它參數一定的情況下，亦即存在著一個臨界激光功率值。

焦點位置：熔深隨焦點位置的變化有一十跳躍性變化過程。當焦點處于偏離工件表面較大（≥±2 mm）的位置時，工件表面光斑尺寸較大。因此，光束能量密度較低，屬于傳熱熔化焊，而且熔深較淺。而當焦點靠近工件表面某一位置（±2 mm）時，工件表面人射光束能量密度值增大到臨界值，而產生小孔效應。因此，其熔深發生跳躍性增加。當焦點位置在工件表面上方l mm處時焊縫熔深最大。

透鏡焦距：由公式d=f·θ可知，焦距愈小，光斑直徑d就愈大，由于在同等功率下，焦點處的能量密度值就越

大，因此其有利于小孔效應的形成和熔深的提高。

2.焊接裂紋

熱裂紋的產生是鋁合金激光焊接時最常見的缺陷。其主要是焊縫結晶裂紋和HAZ液化裂紋。防止熱裂紋的產生是鋁合金激光焊接的關鍵技術之一。

3.氣孔

氣孔是鋁激光焊接時的主要缺陷之一。經研究表明，材料表面狀態、保護氣體種類、流量及保護方法、焊接參數和焊縫形狀都影響氣孔的產生。其應當選擇合適的表面處理措施，以加強保護和采用高功率、高速度、大離焦量（負值）焊接時可以使氣孔的產生降低到最少。

（二）高強鋁合金T型接頭激光焊接存在的問題

1.鋁合金激光焊接優點和存在的問題

由于鋁及其合金對激光的高反射率以及自身的高熱導性，因此激光焊接鋁合金一直是存在諸多的問題：

（1）鋁及其合金對激光的反射率很高（對CO2激光超過90%，對YAG激光接近80%），造成激光在母材未熔化時吸收率很差，效率很低；

（2）由于激光焊接熔池深而窄，脈沖激光突發功率大，強大的蒸氣通過很窄的熔池時會產生較大的飛濺；

（3）激光焊接焊縫熱輸入小，冷卻速度快，熔池存在時間很短，熔池內氣體不易析出，易產生氣孔；

（4）激光焊接對接頭間隙要求嚴格，自熔焊所允許的間隙量最大不超過母材厚度的10%；

2.T型接頭激光焊接存在的問題

采用激光焊接T型接頭，由于其自身結構的特點還會帶來一些突出的問題，即主要表現在變形、氣孔、裂紋和焊縫成形的困難，因此在無拘束或者接頭優化的情況下，T型接頭焊接時容易出現以下情況：

①底板兩側出現向上翹起的變形；

②由于不能實現兩條角焊縫的同步焊接，筋板容易出現彎曲變形且向焊縫一側傾斜；

③焊接時激光光束要與筋板成一定傾角，這樣在焊接過程中，由于熔池熔液受重力作用，更容易形成小孔的塌陷閉合，并且也很不利于小孔內氣體的上浮排除，因此，T型接頭激光焊接小孔傾向相對較大；

由于采用單側依次雙面焊，T型接頭的兩條角焊縫不能同時施焊，因此在焊接第一條角焊縫時，還會涉及另一條角焊縫的保護問題。在這種情況下，受第一條角焊縫熱源影響，第二條角焊縫在兩板端面接觸位置將會出現氧化夾雜，從而導致第二條角焊縫出現焊接過程的不穩定。其甚至出現氣孔，并引起裂紋。

三、結論

鋁合金激光焊接技術是近十幾年來發展起來的一項新技術。與傳統焊接方法相比，激光焊具有熱輸入小、能量密度高、熱影響區窄而熔深大、熱變形小、接頭性能好及易于控制等優點，因而日益得到廣泛應用。但是由于鋁合金具有良好的導熱性，對激光束的極高初始反射率及焊接過程中產生的等離子體對激光束的屏蔽作用，使得工件吸收光束能量困難，焊接過程不穩定，同時還易產生裂紋、氣孔等缺陷。上述難題的解決很大程度上取決于高功率激光的光束質量。但是在一般情況下，通過采用合理的工藝措施，也可實現對鋁合金的有效焊接。近年來，隨著大功率、高性能激光加工裝備的不斷研制開發，在日本、美國、英國、德國等發達國家，鋁激光焊接技術發展很快。鋁激光焊接技術是未來鋁焊接技術的主要發展方向之一。

參考文獻：

[1] 齊向前等.鋁合金激光焊接技術特性[J].焊接技術.2010（03）：30-32；

[2] 朱宏等.鋁及鋁合金激光焊接技術的研究現狀[J].電子工藝技術.1997（04）：129-132；