鋁合金激光焊接技術研究進展

趙耀邦，張小龍，李中權，朱曉星

（上海航天精密機械研究所，上海201600）

鋁合金激光焊接技術研究進展

趙耀邦，張小龍，李中權，朱曉星

（上海航天精密機械研究所，上海201600）

綜述鋁合金激光焊接技術特點及研究現狀，開展3mm厚LF6鋁合金激光-MIG電弧復合焊接工藝研究。文獻綜述表明，鋁合金激光自熔焊接表面成形不好，且易于產生氣孔缺陷，激光填絲焊、激光-電弧復合焊以及雙光束激光焊等能夠有效地解決上述鋁合金激光焊接問題。試驗研究表明，激光-MIG電弧復合焊接LF6鋁合金可獲得良好的焊縫成形，內部質量達到QJ1666A-2011Ⅰ級焊縫質量要求，接頭強度達到母材的90%以上，具備較為優異的力學性能。

鋁合金激光焊接；激光-電弧復合焊；激光填絲焊

0 前言

鋁及鋁合金耐腐蝕性好、比強度較高、導熱性以及低溫力學性能良好，廣泛應用于工業領域。尤其在航空航天領域使用了大量的鋁合金薄壁焊接結構，飛機機身是鋁合金蒙皮和桁條的焊接（或鉚接）結構，運載火箭推進劑貯箱均為鋁合金焊接結構。

攪拌摩擦焊接鋁合金具有焊接質量好、變形小等諸多優點，但該方法對工件的裝配以及接頭形式的要求近乎苛刻，缺乏一定的工藝柔性。氬弧焊作為一種焊接質量較好、成本較低的熔焊方法，是鋁合金焊接的重要方法。與碳鋼相比，鋁合金導熱系數為其5倍，線膨脹系數為其2倍，這表明鋁合金焊接需要更高的焊接熱輸入，同時鋁合金材料更易變形，而鋁合金的彈性模量只有鋼的三分之一，加上薄壁結構自身剛性不足，焊接變形的問題更加突出[1]。鋁合金薄壁結構氬弧焊接變形帶來產品形位公差超標、尺寸不穩定等一系列問題。

焊接殘余變形是被焊結構在焊接熱源不均勻加熱作用下的熱應力所產生的，因此減少焊接線能量是從源頭上控制焊接變形的重要措施。激光焊與氬弧焊相比，激光束光斑直徑小，能量密度高，可以精確控制焊接熱輸入，焊接線能量小，激光焊接變形和殘余應力均很小。隨著低成本、高效率、高光束質量的大功率光纖激光出現，為激光焊接技術在鋁合金材料的應用帶來新的發展契機。

1 鋁合金激光焊接技術發展現狀

1.1 鋁合金激光自熔焊

對于鋁合金激光焊來說，鋁合金表面對激光的初始反射率較高，需要較大的激光功率；光斑直徑小，工件對中、間隙適應性較差，對焊接工裝和光束的精確調整要求較高；焊接過程加熱和冷卻速度快，加之匙孔效應導致合金元素蒸發，焊接氣孔缺陷多；激光能量密度集中，匙孔效應導致合金元素的揮發、燒損嚴重，易出現焊縫下凹和咬邊現象。對于鈑金成形的薄壁結構件，由于其成形精度難以精確控制，焊接裝配間隙較大，并且不可避免地存在一定的錯邊，都為激光自熔焊接技術在鋁合金薄壁結構件的推廣和應用帶來了困難。

鑒于上述鋁合金激光自熔焊特點，激光自熔焊技術一般只用于較薄結構密封焊以及對焊接質量要求不高的情況。

1.2 鋁合金激光填絲焊

與激光自熔焊相比，激光填絲焊放寬了焊接工藝要求；通過填充不同成分的焊絲，改善焊縫組織力學性能，改變焊縫金屬流動特性，改善焊縫成形，抑制氣孔、裂紋等缺陷的產生；利用較小功率的激光器來實現厚板窄焊道多層焊；激光填絲的效率與傳統的自熔焊差不多，參數選擇適當時，大于激光自熔焊的焊接效率[2]。

飛機壁板是激光填絲焊接技術最為典型的應用。歐洲空客從20世紀90年代初開始進行鋁合金壁板雙側同步激光填絲焊接研究，2000年完成首件A318機身下壁板的激光焊接，2003年開始批量生產應用，目前A318、A340、A380機身下壁板均采用激光焊接。

我國正在研制的C919大型客機，哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室開展了機身壁板雙側激光同步填絲焊接鋁合金T型接頭的研究工作，為實現國產大型客機機身壁板的激光焊接提供裝備和工藝支撐[3]。

1.3 鋁合金激光-電弧復合焊

激光-電弧復合焊接技術是20世紀70年代英國帝國理工大學W.Steen教授提出來的一種復合熱源焊接方法[4]，如圖1所示。激光-電弧復合焊接兼有激光和電弧各自的優勢，又彌補了各自的不足之處，其特點如下：電弧的加熱延長了單激光焊接的凝固速度快的問題，有利于減少氣孔、裂紋缺陷，電弧焊絲作用可改善焊縫冶金，提高激光對間隙、錯變的工藝適應能力。因此，激光-MIG電弧復合焊接技術是實現鋁合金薄壁結構件的高效、高適應性、優質焊接的最佳方法之一[5]。

圖1 激光-MIG電弧復合焊接示意

在國外，鋁合金激光-MIG電弧復合焊接技術已經廣泛應用于航空航天、汽車、高速列車等領域。

德國大眾汽車公司已將激光-MIG電弧復合焊接技術用于鋁合金汽車框架和轎車車門的焊接。最近幾年，激光焊在高速列車制造領域快速發展，英國TWI、德國BIAS均開展了用于高速列車的鋁合金蜂窩板結構激光-MIG復合焊技術。在日本，已建成了鋁合金車體激光-MIG復合焊生產線[6]，如圖2所示。

近年來，國內的哈爾濱工業大學、北京工業大學、華中科技大學以及哈爾濱焊接研究所均開展了鋁合金激光-MIG電弧復合焊接技術的基礎研究，長春軌道客車、唐山軌道客車以及中船重工725所開展了工藝應用研究，結果表明采用激光-MIG電弧復合焊接技術可實現鋁合金結構件的優質焊接。

1.4 鋁合金激光-電弧雙面焊接技術

采用激光-電弧復合焊接（即一般意義上的同側復合焊接）鋁合金，由于激光需穿過電弧后才能作用于工件，電弧等離子體對激光的吸收、散焦以及折射作用不可避免地造成激光能量的損耗。為此，哈爾濱工業大學苗玉剛博士提出了激光-TIG電弧雙面焊接鋁合金技術[7-9]，研究表明根據激光與電弧熱輸入的不同，呈現3種典型接頭形狀：小束腰“X”型、中束腰“X”型、大束腰“X”型，如圖3所示，同時焊接過程穩定、焊接效率大幅度提高，工藝適應性較傳統單激光焊接明顯增強。

1.5 鋁合金雙光束激光焊接技術

為了解決常規單光束激光焊存在的局限性，將單光束激光分離成兩束激光，通過改變兩束激光能量配比、光束間距、排布方式，對激光焊接溫度場和流動場進行方便、靈活的調節，改變匙孔的存在模式和熔池的流動方式，提高單光束激光焊的工藝適應性，為激光焊接工藝提供更加廣闊的選擇空間。

美國學者J.XIE研究了鋁合金雙光束激光焊接技術，研究表明雙光束激光焊接鋁合金可顯著改善焊縫表面成形和咬邊缺陷以及減少氣孔缺陷[10]。此外，法國學者A.Haboudou、尼桑汽車研究所的T.Iwase、德國斯圖加特大學的Andreas RuB均得到類似結果[11-13]。

圖2 日本The Kinki Sharyo Co.，Ltd.鋁合金高速列車激光-MIG焊生產線

圖3 典型熱輸入條件下雙面焊的接頭形狀

2 3mm厚LF6鋁合金激光-MIG復合焊接

2.1 試驗條件

試驗在機器人光纖激光焊接系統上進行，系統由4kW的IPG光纖激光器、福尼斯TPS4000型MIG/MAG焊接電源以及KUKA機器人組成，德國Precitec YW52激光焊接頭和福尼斯推拉絲焊槍組成激光-MIG復合焊接頭，激光焊接頭與MIG焊槍采用可調節的機械夾持機構，可調整激光束與MIG電弧之間的夾角和距離（光絲間距），復合焊接頭整體置于機器人臂上，如圖4所示。焊接試驗采用母材為3 mm厚5A06鋁合金（LF6）板材，試板尺寸100mm×300mm。

圖4 激光-MIG電弧復合焊接系統

2.2 焊縫成形

鋁合金激光-MIG電弧復合焊接主要工藝參數為光絲間距、焊接速度、激光功率P、離焦量Δf、MIG電流、MIG氣流量、焊絲干伸、MIG電弧弧長修正等。通過優化工藝參數，可獲得良好的鋁合金激光-MIG復合焊接焊縫成形，如圖5所示。通過X射線探傷焊縫內部質量，達到QJ1666A-2011Ⅰ級焊縫質量要求。

圖5 鋁合金激光-MIG復合焊接表面成形

2.3 接頭力學性能

在電子拉伸試驗機上對鋁合金激光-MIG復合焊接接頭進行力學拉伸試驗，均斷裂在焊縫和熱影響區，這表明焊縫及熱影響區依然是接頭的薄弱環節，如圖6所示。接頭平均強度338 MPa，達到母材強度的95%以上，接頭平均延伸率14.1%，達到母材的76%以上，具備良好的力學性能。

2.4 鋁合金激光-MIG復合焊接變形

為了定性描述鋁合金激光-MIG復合焊接對焊接變形的控制，對比測量平板TIG焊和激光-MIG復合焊接橫向角變形和縱向撓曲變形的大小，如圖7、圖8所示。縱向最大撓曲變形TIG焊高達11.2mm，激光-MIG復合焊僅2.1mm；橫向最大角變形TIG焊為8.6°，激光-MIG焊僅2.4°，這表明與常規的TIG焊工藝相比，采用激光-MIG電弧復合焊接能夠更好地控制鋁合金焊接變形。

圖6 接頭斷裂形貌

圖7 TIG及激光-MIG復合焊接角變形對比

4 結論

（1）鋁合金激光自熔焊接表面成形不好，且易產生氣孔缺陷，激光填絲焊、激光-電弧復合焊以及雙光束激光焊等能夠有效解決上述問題。

（2）對3 mm厚LF6鋁合金進行激光-MIG復合焊接，通過工藝優化，可獲得良好的焊縫表面成形，內部質量也達到QJ1666A-2011Ⅰ級焊縫質量要求。

（3）接頭平均強度338 MPa，達到母材強度的95%以上，接頭平均延伸率14.1%，達到母材的76%以上，具備良好的力學性能。

（4）鋁合金激光-MIG復合焊接縱向撓曲變形和橫向角變形均小于TIG焊。

圖8 TIG及激光-MIG復合焊撓曲變形對比

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Development of laser welding for aluminum alloy

ZHAO Yaobang，ZHANG Xiaolong，LI Zhongquan，ZHU Xiaoxing
（Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute，Shanghai 201600，China）

Welding characteristics and recent advances of laser welding for aluminum alloy were reviewed，and laser-MIG hybrid welding for 3 mm thickness LF6 were studied.It was indicated that bad appearance and porosity were the main weld defects for laser welding without filler metal.Laser-arc hybrid welding，laser welding with filler metal and dual beam laser were the good methods for welding aluminum alloy.From the experiment results，the weld appearance of laser-MIG welding was fine,and met criteria of weld quality of QJ1666A-2011Ⅰ.The joint strength can be over the 90%of mother materials.

laser welding for aluminum alloy；laser-arc hybrid welding；laser welding with filler metal

TG456.7

C

1001－2303（2017）02－0008-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.02

2016-10-07

趙耀邦（1982—），男，高級工程師，博士，主要從事焊接、激光加工、表面工程技術等研究工作。

獻

趙耀邦，張小龍，李中權，等.鋁合金激光焊接技術研究進展[J].電焊機，2017，47（02）：8-12.