武亞鵬

庫珀（天津）科技有限公司 天津 301700

1 序言

鋁合金具有材質輕、耐腐蝕、耐低溫、力學性能好等優(yōu)勢，廣泛應用于航空航天、軌道交通、汽車、船舶、化工等眾多工業(yè)制造領域。近幾年，隨著國家對環(huán)保、節(jié)能、減排的宏觀經濟體制改革，對鋁合金材料有了很大的需求量，尤其是高強度的鋁合金材料有著高剛度、高耐蝕性、優(yōu)良加工性、高力學性等，逐漸成為各領域制造業(yè)輕量化應用不可缺少的重要材料。目前，鋁合金的焊接方法主要有TIG焊、MIG焊、攪拌摩擦焊、激光焊等。

激光焊接具有能量高、熱源集中、熱損小、變形小、焊縫深寬比大等優(yōu)點，并且在焊接過程中便于形成集成化、自動化、柔性化的生產優(yōu)勢，滿足高速、高精度的焊接，焊接時無需真空作業(yè)環(huán)境，非常適合在惡劣的環(huán)境下對復雜的結構件實施高精度的焊接[1]。因此，研究鋁合金激光焊接工藝及其應用具有非常重要的意義。

2 鋁合金的熔焊工藝分析

（1）焊前準備 鋁合金的焊前準備非常關鍵，否則會對鋁合金的焊接質量造成很大的影響。焊前要對鋁合金的表面用酒精或丙酮擦拭清理，清除工件表面的水、油等污染性的雜質。如被氧化了的鋁合金工件，需要對工件進行清理打磨或化學試劑處理并吹干，再及時完成焊接。

鋁合金焊接時要加快熔池的流動性，可在焊件背面墊銅板以提高焊縫的成形質量。

（2）常規(guī)熔化焊 鋁合金常規(guī)的熔化焊方法有TIG焊（見圖1）、MIG焊等，焊接時，采用氬氣作為保護氣來隔絕空氣，實現減少或避免焊縫產生氣孔。

常規(guī)熔化焊存在著以下問題。

1）焊接時會輸入大量的熱源，導致焊縫寬且熔深較淺。

2）鋁合金冶金速度快，導致焊縫組織晶粒粗大，焊接接頭軟化可使強度減少40%左右。

3）鋁合金熔點低而導熱快，熔融金屬流動性差而使焊縫成形不美觀。

4）焊接時受熱面積大，加工材料容易變形而影響加工尺寸精度。

圖1 鋁合金氬弧焊焊縫

5）鋁合金常規(guī)焊接質量保障難度大，焊接速度難以滿足批量生產的需求。

（3）激光焊接 激光焊接鋁合金的優(yōu)勢尤為突出，焊接時熱輸入小且熱源集中，尤其是光纖激光焊接鋁合金時的能量更加集中，激光波長更短，高反射得到明顯的改善[2]。

通過光纖激光焊、雙光斑激光焊、激光填絲焊等焊接工藝，可大大提升鋁合金的焊接質量及焊后效果，如圖2所示。

圖2 鋁合金激光焊焊縫

1）光纖激光焊。光纖激光焊接鋁合金時，存在高反射現象，影響材料對激光能量的吸收，波長短，材料對光的吸收就好，因此光纖激光焊對鋁合金的吸收好，光束模式保證了能量密度的高度集中，保證了焊接質量。

2）雙光斑激光焊。焊接時，雙光束可以形成一個較大的匙孔，這樣可以保證焊接時的穩(wěn)定，有效促進氣體的排出。采用并行雙光束激光焊接的優(yōu)點如下：①熔池內部溫度相差小，可以降低金屬熔液的凝固速度，這樣就加長了氣泡的逸出時間，減少了氣孔的形成，大大降低了焊縫的氣孔率。②能夠提高送絲的穩(wěn)定性，保障了焊接質量的穩(wěn)定性。

3）激光填絲焊。相比激光自熔焊鋁合金，能夠得到更好的成形。激光填絲焊能夠兼容激光焊的高能量密度和填絲焊的高橋接能力，對于有一定間隙的焊縫，能夠保證良好的成形效果。而且通過不同的填充材料的選擇，可以對母材進行不同的化學反應，起到一定合金元素補充且強化的功效。采用激光復合焊，通過激光與電弧的復合，能夠有效消除激光焊形成的等離子體的影響。通過光絲間距、吹氣、焊槍角度等參數的調節(jié)，能夠獲得美觀的焊縫，而且對于厚板無需開坡口或只需開小坡口就可以形成良好的焊縫。

3 激光焊接鋁合金的特點

（1）功率大的激光頭 能夠穩(wěn)定焊接質量，隨著激光加工的深入開發(fā)，功能越來越強大的激光頭得到快速的應用。由Scansonic和High YAG所研制的激光頭，能夠在一定范圍內上下左右浮動而不改變光斑大小，也不影響光絲配合，非常利于大批量的生產應用，能改善材料由于加工產生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。

（2）合適的焊接參數 合理的焊接參數能夠很好地保證焊接質量。要獲得穩(wěn)定的焊縫成形，需要匹配合適的焊接參數。

1）當給定的每一個激光功率數值時，都會有一個合理的焊接速度相匹配，焊接速度可以在設定的范圍內進行調整，同樣可以實現成形質量很好的焊縫，此區(qū)域定義為焊接穩(wěn)定區(qū)。

2）當在一個功率數值時，焊接速度過快，輸入的熱量變小，導致鋁合金材料不能熔透，這時已超過穩(wěn)定區(qū)的范圍，此區(qū)域定義為未熔透區(qū)。

3）當在一個功率數值時，焊接速度過慢，輸入的熱量過大，熔池下塌嚴重，此區(qū)域定義為熔池坍塌區(qū)。

（3）高要求的裝配精度 因為鋁合金激光焊接加熱集中、焊縫深寬比大、焊接結構變形小、激光聚焦光斑直徑細小等特點，所以導致工件的組對精度要求較高，一般組對間隙和錯邊量都必須小于0.1mm或板厚的0.1t，這樣大大增加了焊接的操作難度。

（4）易產生焊接缺陷 由于鋁合金熔點低，金屬液流動性好，因此在大功率激光的作用下會使金屬氣化。焊接過程中伴隨小孔效應所形成的金屬蒸氣影響鋁合金對激光能量的吸收，這樣會出現焊接過程不穩(wěn)定，焊縫容易產生氣孔、表面塌陷、咬邊等焊接缺陷。

焊縫產生表面塌陷、咬邊等缺陷可以通過激光填絲焊接或激光電弧復合焊來實現改善，但是氣孔缺陷控制難度比較大。

（5）焊接接頭強度的影響 由于激光焊接的加熱和冷卻速度快、焊縫硬度高、鋁合金激光焊接存在合金元素燒損，因此影響鋁合金的強化作用，導致鋁合金焊縫存在軟化現象，這樣就降低了鋁合金焊接接頭的強度。

4 鋁合金激光焊接的應用[3]

4.1 石油管道

1）鋁合金石油管道能夠有效增加管道的直徑及管壁的厚度，使管道在額定的時間里輸送更多的油量。管道輸送石油非常危險，容易發(fā)生泄漏現象，一旦發(fā)生泄露可能會造成不可估量的財產損失、人員傷亡、環(huán)境污染、水源污染等重大危害。

2）鋁合金管道焊接時，提升焊接質量、避免焊接缺陷是關鍵。

3）激光焊接鋁合金管道可以產生非常大的效益，同時可以有效地控制焊接質量。焊接時可以保證焊縫一次成形且焊接質量比較高，這樣可以避免由于焊縫缺陷導致石油泄漏危害，如圖3所示。

圖3 激光焊接鋁合金石油管道

4.2 汽車制造

1）近年來，汽車制造業(yè)不斷挖掘耐用材料及工藝技術的應用來提升產品的整體質量。其中把激光焊接技術應用到汽車制造中，實現了鋁合金材料的焊接應用，有效減輕了自身重量、減少了工序、提高了生產效率，受到了各汽車制造商的好評。

2）通過激光焊接鋁合金技術在汽車制造過程中的廣泛應用，有效地推廣了鋁合金材料的應用范圍，如圖4所示。

圖4 激光焊接鋁合金汽車骨架

4.3 航空航天

1）航空航天產品對材料的使用更是嚴格要求，需要保證材料的高精度、耐熱性、穩(wěn)定性、持久性。鋁合金的產品可以有效地降低制造成本、減輕自身重量。

2）激光焊接鋁合金材料技術的大力應用，為提高航空航天事業(yè) 的制造水平提供了先進工藝[4]。

5 結束語

1）鋁合金是發(fā)展過程中應用范圍越來越廣的材料，如何不斷提高鋁合金材料的應用范圍及利用率，是目前各行各業(yè)研究的重心。

2）激光焊接作為一種新興的焊接技術，能夠有效地解決焊接氣孔的缺陷，通過不斷拓寬激光焊接在鋁合金材料中的應用，會發(fā)揮更大的作用。

3）隨著激光焊接技術和鋁合金材料技術的發(fā)展，需進一步對激光焊接鋁合金技術的研究及開發(fā)新的工藝，有效地挖掘激光焊接鋁合金材料的潛能。

4）由于鋁合金材料的特性，大功率激光焊接時還有很多課題需要研究，其中控制焊縫成形后的氣孔缺陷就是不斷提升鋁合金焊接質量的關鍵。