鋁合金激光焊接技術應用現狀與發展趨勢

*通訊作者：李超，1983年9月，男，漢族，河北廊坊人，現任中國航空制造技術研究院機械設計師，高級工程師，碩士研究生。研究方向：激光加工裝備。

摘? ? 要：長期以來，鋁合金激光焊接難點和熱點是研究機構和企業的技術研究方向。隨著市場對輕型化設計的需求不斷增加，高功率激光和激光產品的成熟，激光焊接系統的成本趨于降低。在此背景下，擴展激光焊接鋁合金應用的一個主要瓶頸是從采購成本向焊接技術的轉變，提出了新的鋁合金激光焊接技術。這是鋁合金工藝在特定應用中的趨勢和應用。

關鍵詞：鋁合金;激光焊接;焊接工藝;應用

一、引言

鋁激光焊接是一項近幾十年來發展起來的新技術，在精度、效率、可靠性、自動化等方面優于現有焊接技術。鋁激光焊接工藝非常復雜，鋁激光焊接中的光束反射及等離子屏蔽與鋼鐵等黑色金屬相比效果非常強。零件很難吸收光束的能量。同時也存在裂紋、氣孔、接頭軟化等缺陷，鋁只能通過高功率激光和特殊工藝有效焊接[1]。

二、工藝特性及研究現狀

（一）光束反射和焊接前表面處理

在鋁激光焊接中，最難同時解決的問題是通過入射光束對鋁進行強反射。研究表明，室溫下鋁表面的初始反射率比CO2和YAG激光高90%。比鋼等黑色金屬高得多。因此，為了有效地進行鋁合金焊接，表面預處理是必須采取的措施，以減少反射并提高吸收能力，而研究人員在這一領域開展了大量工作。

在鋁為原表面（銑削、汽車加工后）、噴砂（砂子300目）、拋光電解、陽極氧化的四種表面模式下，研究了入射光束的吸能狀態，如表1所示陽極氧化和噴砂可以顯著增加鋁射線的能量吸收[2]。其他科學家的研究也證實，預處理鋁表面措施，如砂紙打磨、化學表面蝕刻、表面涂層、石墨涂層、空氣爐氧化，可以有效改善能量吸收[3]。

（二）合金元素

鋁合金含有低沸點（Mg、Zn、Li）元素。為此，在激光焊接鋁合金時，強化蒸發和等離子體形成為鋼，而研究表明焊接形式中金屬蒸汽的產生和高溫等離子體部件的產生有利于深焊縫的產生，并且存在有利又有弊[4]。

（三）材料特性

鋁合金材料的表面張力、黏度、導熱性等物理性能嚴重影響激光焊接中的熔化性能和焊縫成形。研究表明，低液態金屬的黏度和導熱性有利于增加熔化深度，小的表面張力有利于金屬蒸汽的產生和逸出，其熔深增加，同時液態金屬容易加大熔深，造成焊接表面下凹焊縫[5]。

（四）焊接工藝參數

鋁焊接工藝參數主要包括激光性能、焦距、焦點、焊縫位置、焊縫速度、氣體等級和流量，它們決定了直接焊縫的形狀。

1. 激光性能是決定焊縫熔體流動的主要因素。入射光束溫度在室溫下吸收鋁能量非常低。在熔化狀態下非常高，因此，在其他參數不變的情況下，如在入射光束能量密度臨界值的焦點位置（約106瓦/平方厘米），當溫度低于激光功率臨界值時，焊接進行傳熱熔化容易形成孔效應，光束吸收率和焊接深度明顯如圖1示。

2. 在某些其他參數下的焊接速度，熔化深度增加或減少是由焊接速度決定，如圖2所示。

三、鋁合金激光焊接應用與發展

鋁合金激光焊接在廣泛應用于先進的生產，如鋁合金車頂和側圍的激光焊接、鋁合金門的激光焊接、空客客機機體下部鋁合金結構的激光焊接等。與傳統的鋁合金電鍍方法相比，激光焊接在提高生產率、降低生產成本和減輕結構重量方面證明是有效的[6]。

（一）新能源汽車鋁合金電池盒的激光焊接

在新能源汽車工業中，由于電池重量增加和對輕型結構的需求增加，鋁相比昂貴的碳纖維復合材料和高密度高強度鋼，無疑是各種電池盒結構的首選材料。從電池盒和插件板、模塊和配件到電池底部、鋁合金板等鋁合金的使用非常廣泛。方殼電芯是激光焊接應用中鋁合金最常用的產品，如外殼密封件、防爆閥、極柱、注液孔和軟連接，由純鋁和三系鋁合金組成，良好焊接，特別是在可擺動激光焊接時，滿足幾乎所有誤差和密封標準滿足。上述技術通過傳統光纖激光和掃描電流鏡頭提供了高質量、有效的激光焊接。

目前市場形成了定制激光焊接生產設備。新型汽車電池和電池托盤模塊高度定制，主要采用高強度6系鋁合金，部分采用5系鋁合金。根據產品需求和設計特點，大約有三種類型。

1. 非承力模塊電池殼

其特點是厚度小于或等于1.5 mm的鋁合金板，整體結構無密封要求，焊接形式為穿透焊接、對接、搭接角焊。由于產品要求比較簡單，技術難度較小，焊接采用單激光，由于工件裝配間隙要求高，焊接質量一致性更受材料尺寸精度和裝夾過程的影響大。

2. 產品有密封要求

有些要求必須經受一定的壓實壓力條件。帶狀厚度通常為3～5 mm，包括組裝、對接、角接、搭接鋁合金板材和其他形狀。由于產品尺寸小于電池托盤，服務條件相對較低，制造廠和用戶打算從MIG焊接工藝過渡到激光焊接工藝。目前，激光焊接技術主要由研究機構、激光供應商和零部件制造商進行研究和測試。

3. 承受產品外部負載電托盤

由當前連接到鋁型材的板和框架組成。壁為2 mm厚，底板厚5～8 mm，MIG焊接底板和框架。某些產品采用鋁合金制造，形成底板和框架的整體結構。

制造商需要高效、高質量的激光焊接技術。但電池托盤結構復雜，產品設計沒有考慮激光焊接的技術特點，底板焊接所需的連接強度較高，激光焊接技術的應用受到若干因素的限制。

（二）鋁合金激光焊接

汽車車身最受歡迎的鋁合金激光焊接方法是釬焊與車門熔焊。鋁合金焊接主要用于鋁合金車頂與側圍、鋁合金行李箱蓋，應用于凱迪拉克CT6、蔚來ES8獨立品牌等型號。激光焊接要求激光頭部功能高，不僅焊絲指向性，而且焊絲的焦點和位置也可根據焊接位置、樣品波動、焊接后焊接表面質量控制等進行調整。這是較常見的高表面鋁合金激光焊接應用于汽車車頂、行李箱蓋等外觀部件。一般來說，由于液態鋁表面張力較低，板料厚度比較薄（約1.2毫米），容易出現焊穿、突刺等問題。

（三）軌道交通中鋁合金車身的激光焊接

近年來，我國軌道交通發展迅速，隨著高鐵的發展，列車車體材料逐步向輕軌免修方向發展，現主要包括碳鋼、不銹鋼、合金鋼。其中，不銹鋼堆焊激光焊接技術應用于地鐵制造而不是電阻點焊方法[7]。在碳鋼激光焊接領域，唐山中山汽車有限公司和中國科學院上海光學精密研究所共同開發了碳鋼激光焊接技術。目前，對厚度相等或可變的三通道接頭激光焊接進行了技術突破，側壁結構構件試驗完成，車體鋁合金材料主要采用摩擦摩擦工藝，材料采用型材在鋁合金激光焊接領域，開發并測試了高速磁阻薄壁鋁合金機箱中底板、頂板、三大側墻部件和夾層板組等中小型部件的激光電弧復合焊接技術的研發。

（四）飛機鋁板的激光焊接

輕量化飛機在減少燃料消耗、增加續航里程和延長飛機壽命方面發揮著重要作用。鋁合金的成本相對于鈦合金和碳纖維復合材料來說較低，因此用于飛機機體生產的鋁合金比例較高，主要是鋁合金7、6和2系。在將機身壁板蒙皮與桁條中的應用程序中，傳統的方法是使用修補方法，采用搭接蒙皮與桁條結構。由于搭接鉚釘與桁條邊，重量太重，生產效率低，桁條與蒙皮分別被T型結構所取代，左右兩側同步激光填絲焊代替搭接邊與鉚釘，從而減少車身重量，提高連接效率[8]。

目前，鋁合金激光焊接技術主要用于材料焊接能力較好、使用條件較簡單的情況。新型鋁鋰合金，航空用高強度鋁合金激光焊接提出了較為復雜的金屬焊接問題，船舶、壓力容器等行業鋁合金厚板結構激光焊接必須解決工藝和裝備問題，實現高性能鋁合金激光焊接是鋁合金激光焊接技術的發展方向。

參考文獻：

[1]李林.CO2激光輻照金屬加熱的計算， 2019.

[2]吳玉.發動機總成鋁及鋁合金激光焊接， 2019.105-107.

[3]李志明.鋁合金CO2激光焊接基礎研究， 2019.

[4]萬希.烷基合金（A5083P-0材料）的激光焊接， 2019.

[5]李靖.不同鋁合金在激光焊接時的熔化和蒸發特性.焊接學報， 2019.

[6]韓濤.青島地鐵11號線首車下線，激光焊接技術助推城軌車輛升級換代[J].金屬加工（熱加工）， 2019（4）：8-9.

[7]彭連輝.軌道交通制造焊接技術應用現狀及發展趨勢[J].金屬加工（熱加工）， 2020（8）：6-9，13.

[8]范二寧.碳鋼車體表面狀態對激光填絲焊接頭質量的影響：“田心杯”軌道交通金屬加工技術征文大賽論文集[C].北京：金屬加工雜志社， 2019：457-461.