陶武，楊上陸

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 上海 201800

1 序言

鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、良好的耐蝕性，并且材料品種覆蓋范圍大，是優(yōu)良的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在汽車、軌道交通、航空航天及船舶等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，激光焊接作為高效率、低熱輸入、高柔性的高質(zhì)量連接技術(shù)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)獲得越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展主要受到三方面因素的影響：一是鋁合金材料的發(fā)展，材料的焊接性與滿足應(yīng)用條件的強(qiáng)塑性、耐蝕性等性能提升；二是激光焊接工藝研究與焊接質(zhì)量評(píng)估的成熟度；三是激光焊接設(shè)備，包括激光器的快速發(fā)展，以及激光束的輸出形式、調(diào)控方式的多樣化等。在上述基礎(chǔ)上，針對(duì)不同行業(yè)、場(chǎng)景的應(yīng)用需求，可供選擇與搭配的激光焊接系統(tǒng)在成本和工藝上更具有靈活性和適用性。

2 鋁合金激光焊接的難點(diǎn)

鋁合金激光焊接受基體材料本身性質(zhì)的影響存在較多難點(diǎn)，比如，液態(tài)鋁表面張力低，造成激光深溶焊小孔坍塌而形成氣孔；鋁合金所含低熔點(diǎn)合金元素在激光焊接過(guò)程中被燒損，造成焊縫性能弱化；焊縫低熔點(diǎn)共晶合金元素成分易在冷卻凝固過(guò)程中形成裂紋；熱處理強(qiáng)化鋁合金在焊接熱循環(huán)作用下產(chǎn)生熱影響區(qū)軟化；液態(tài)鋁表面張力低、固態(tài)鋁熱導(dǎo)率高，以及Al、Mg等元素易氧化造成焊縫表面成形差等。

此外，為降低鋁合金激光焊對(duì)裝配間隙的要求，并抑制焊縫裂紋的產(chǎn)生，通常采用激光填絲焊或激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)。由于鋁合金焊絲相對(duì)較軟，所以需要確保從送絲嘴出來(lái)的焊絲的指向性，以避免焊絲未熔化、填充焊縫產(chǎn)生偏向等問(wèn)題；同時(shí)，原始鋁合金表面的氧化膜以及熔融鋁新產(chǎn)生的氧化層均會(huì)對(duì)填充焊絲的鋪展效果產(chǎn)生影響。

圖1展示了鋁合金激光焊接存在的部分工藝問(wèn)題。

圖1 鋁合金激光焊接存在的問(wèn)題

3 鋁合金激光焊接設(shè)備

早在20世紀(jì)70年代，即出現(xiàn)了關(guān)于鋁合金激光焊接研究的報(bào)道，所用激光光源經(jīng)歷了CO2激光器和Nd:YAG激光器，目前占據(jù)應(yīng)用市場(chǎng)主導(dǎo)地位的是光纖激光器、碟片激光器和半導(dǎo)體激光器。激光光源除了在激光光束質(zhì)量、運(yùn)行維護(hù)成本、功率輸出穩(wěn)定性、設(shè)備成本與輕型化等方面提升之外，根據(jù)實(shí)際焊接工藝需求，還發(fā)展出點(diǎn)環(huán)光斑、能量可調(diào)光斑等不同形式輸出光束的激光器。比如，IPG公司的YLS-AMB系列光束模式可調(diào)光纖激光器，根據(jù)其官網(wǎng)資料，該激光器激光功率分布如圖2所示。由圖2可看出，激光束由中心光斑和環(huán)形光斑組成，中心光斑具有較高的能量密度，能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)較大的熔深；環(huán)形光斑能量密度較低，具有穩(wěn)定熔池、減少飛濺等作用。具有相似功能的激光器產(chǎn)品有相干激光公司的CSM-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)模式光纖激光器與飛博激光公司“牛眼”光斑激光器等。同時(shí)，出現(xiàn)可以輸出不同波長(zhǎng)復(fù)合光束的激光器，如柯馬LHYTE對(duì)光纖激光器與二極管激光器進(jìn)行復(fù)合；創(chuàng)鑫激光推出HMB多波長(zhǎng)復(fù)合激光器，兼具多波長(zhǎng)與點(diǎn)環(huán)光斑輸出能力。上述激光器輸出光束的發(fā)展變化增強(qiáng)了激光焊接的應(yīng)用能力，包括在抑制鋁合金激光焊接氣孔、改善焊縫成形等方面。

圖2 IPG YLS-AMB 輸出光束模式示意

另外，激光束經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)绞褂媒K端之后，使用激光束進(jìn)行焊接的方式也發(fā)生很多新的變化，除了雙光束、激光與電弧復(fù)合等傳統(tǒng)方式，還出現(xiàn)了以掃描振鏡、光束擺動(dòng)功能為代表的光束可控激光焊接頭。這類產(chǎn)品的出現(xiàn)使常規(guī)的單光束激光在激光焊接工藝上形成了完全區(qū)別于傳統(tǒng)工藝的新方向，極大地拓展了鋁合金激光焊接的研究方向和應(yīng)用范圍。關(guān)于擺動(dòng)光束激光焊接的研究表明，光束擺動(dòng)將增加6系鋁合金焊縫區(qū)等軸晶的體積分?jǐn)?shù)，從而增強(qiáng)6061鋁合金對(duì)接接頭的韌性[1]，降低6016鋁合金搭接接頭的裂紋敏感性[2]。通過(guò)選擇適當(dāng)擺動(dòng)光束焊接參數(shù)，可以消除5系鋁合金對(duì)接[3]、搭接接頭[4]焊縫氣孔的產(chǎn)生。除了薄板鋁合金，擺動(dòng)激光被用于厚板鋁合金激光填絲焊研究，實(shí)現(xiàn)130mm厚的5A06鋁合金單道45層焊接，縱向焊縫平均氣孔率為1%，無(wú)未熔合、裂紋等焊接缺陷[5]。激光器和激光頭等產(chǎn)品的發(fā)展，對(duì)解決鋁合金激光焊部分固有難題，促進(jìn)鋁合金激光焊技術(shù)應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用。

4 鋁合金激光焊接應(yīng)用與發(fā)展

鋁合金激光焊在歐美被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等先進(jìn)制造業(yè)，如鋁合金車頂與側(cè)圍激光釬焊、鋁合金車門(mén)激光熔焊、空客客機(jī)機(jī)身下壁板鋁合金T形結(jié)構(gòu)激光填絲焊等典型應(yīng)用。與傳統(tǒng)的鋁合金鉚接方法相比，激光焊在提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、減輕結(jié)構(gòu)重量等方面，被證明是行之有效的技術(shù)方法。在國(guó)內(nèi)，隨著新能源汽車與軌道交通高速列車的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目的實(shí)施，以及激光裝備集成技術(shù)與激光焊接配套傳感檢測(cè)技術(shù)的成熟應(yīng)用，鋁合金激光焊接形成以新能源汽車產(chǎn)業(yè)為主的應(yīng)用狀態(tài)，在鋁合金列車車體與飛機(jī)壁板激光焊接方面則主要處于技術(shù)研發(fā)、驗(yàn)證測(cè)試、產(chǎn)品試制等階段，距規(guī)模化應(yīng)用尚存在一定距離。

4.1 新能源汽車鋁合金電池殼激光焊

在新能源汽車產(chǎn)業(yè)，由于電池包重量增加對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化提出了更高的需求，所以與成本較高的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和密度較高的高強(qiáng)鋼相比，鋁及鋁合金毫無(wú)疑問(wèn)地成為各類電池殼結(jié)構(gòu)的首選材料，從電芯殼體與極耳、模組與連接體，到電池托盤(pán)，鋁合金板材、型材，以及鑄造鋁合金均獲得了廣泛應(yīng)用。

方殼電芯是鋁合金激光焊接應(yīng)用最普及的產(chǎn)品，包括殼體封口、防爆閥、極柱、注液孔及軟連接等，所用材料包括純鋁和3系鋁合金，焊接性良好，尤其在使用擺動(dòng)激光焊接工藝下，形成幾乎無(wú)缺陷、滿足了密封條件的焊接接頭。上述工藝采用常規(guī)光纖激光器與掃描振鏡焊接頭，即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率激光焊接。目前，已在市場(chǎng)上形成完備的定制化激光焊接生產(chǎn)線裝備。

新能源汽車電池模組與電池托盤(pán)個(gè)性化程度高，主要使用強(qiáng)度較高的6系鋁合金，部分使用5系鋁合金，當(dāng)前主要采用MIG焊接工藝和攪拌摩擦焊技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)品不同的需求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，大致存在三種類型。

第一種是非承力模組電池殼，其特點(diǎn)是存在板厚≤1.5mm的鋁合金板，并且對(duì)整體結(jié)構(gòu)無(wú)密封要求，以搭接穿透焊、對(duì)接、搭接角焊等形式實(shí)施焊接，采用單激光或者擺動(dòng)激光即可滿足熔深、熔寬需求。此類產(chǎn)品要求相對(duì)簡(jiǎn)單，因此工藝難度不大，已經(jīng)獲得生產(chǎn)應(yīng)用，主要由激光頭廠家、激光系統(tǒng)集成商提供技術(shù)方案。但是，由于采用單激光焊，對(duì)產(chǎn)品裝配間隙要求較高，所以焊接質(zhì)量一致性受來(lái)料尺寸精度和裝夾工序影響較大。

第二種是產(chǎn)品有密封要求，某些要求須承受一定時(shí)間的保壓壓力條件，板料厚度通常在3～5mm，與鋁合金型材組裝，涉及到對(duì)接、角接、搭接等形式。由于產(chǎn)品尺寸與電池托盤(pán)相比較小，服役條件也相對(duì)較低，所以生產(chǎn)廠與使用方均有意將焊接工藝從MIG焊升級(jí)為激光焊。目前，處于激光焊接工藝探索與測(cè)試階段，主要由科研院所、激光器供應(yīng)商、零部件廠家合作實(shí)施。

第三種是產(chǎn)品承受外力載荷的電池托盤(pán)，目前主要由鋁合金型材拼接的底板和型材邊框組成，型材壁厚2mm左右，底板拼接厚度5～8mm，底板與邊框采用MIG焊，部分產(chǎn)品采用鑄造鋁合金來(lái)獲得底板與邊框一體結(jié)構(gòu)。受制于MIG焊和攪拌摩擦焊較低的效率、較大的變形，以及攪拌頭的耗材成本投入，生產(chǎn)廠家希望引入高效率、高質(zhì)量的激光焊接技術(shù)。但是，電池托盤(pán)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)激光焊接工藝特性考慮不足，底板拼焊對(duì)接頭強(qiáng)度要求較高，諸多因素限制了激光焊接技術(shù)的應(yīng)用。目前，相關(guān)鋁合金激光焊接技術(shù)開(kāi)發(fā)主要在科研院所和部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)廠家進(jìn)行。

第二種與第三種產(chǎn)品由于板料厚度較大、6系鋁合金材料存在裂紋傾向，因此可以采用激光填絲焊或者激光電弧復(fù)合焊工藝，除了激光焊接工藝本身面臨的難題，激光焊接的接頭質(zhì)量以及激光焊接產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)評(píng)估方法和標(biāo)準(zhǔn)還有待同步開(kāi)發(fā)。

4.2 新能源汽車車身鋁合金激光焊

鋁合金激光焊接技術(shù)在汽車車身上應(yīng)用最成熟的是激光釬焊與車門(mén)激光熔焊。鋁合金激光釬焊主要應(yīng)用于鋁合金車頂與側(cè)圍焊接、鋁合金行李箱蓋焊接，在合資品牌凱迪拉克CT6、自主品牌蔚來(lái)ES8等車型均有應(yīng)用。激光釬焊對(duì)激光頭的功能要求很高，除了焊絲的指向性，還需要具備焊接過(guò)程中尋位、根據(jù)樣件起伏調(diào)節(jié)焦點(diǎn)與焊絲位置、監(jiān)測(cè)焊后焊縫表面質(zhì)量等，以滿足車頂、行李箱蓋等外觀件對(duì)高表面質(zhì)量的需求。鋁合金車門(mén)激光熔焊應(yīng)用較普遍，通常使用掃描振鏡焊接頭實(shí)施，包括搭接穿透焊接與搭接角焊縫焊接，由于液態(tài)鋁表面張力低，且板料厚度相對(duì)較?。?.2 mm左右），因此實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)焊穿、突刺等成形不良的問(wèn)題，如圖3所示?；诖?，提升批量生產(chǎn)制造中的焊接質(zhì)量是鋁合金激光焊接需要考慮的應(yīng)用要素。

圖3 某款車門(mén)激光熔焊焊縫背面塌陷、表面突刺等成形不良問(wèn)題

4.3 軌道交通列車鋁合金車體激光焊

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通制造業(yè)發(fā)展迅速，隨著高速列車發(fā)展，列車車體用材料朝著輕質(zhì)化、免維護(hù)發(fā)展，目前主要包含碳素鋼、不銹鋼、鋁合金等。其中，不銹鋼疊層激光焊接技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于地鐵生產(chǎn)制造中，取代電阻點(diǎn)焊方法[6，7]。關(guān)于碳素鋼激光焊，中車唐山機(jī)車車輛公司與中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所合作，開(kāi)發(fā)碳素鋼激光焊接技術(shù)[8]，目前在等厚、不等厚、T形接頭激光焊接方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工藝突破，并完成側(cè)墻結(jié)構(gòu)件試制。車體鋁合金材料主要采用攪拌摩擦焊技術(shù)，材料以6系鋁型材為主。在鋁合金激光焊接方面，中車四方機(jī)車車輛股份有限公司針對(duì)高速磁浮長(zhǎng)大薄壁鋁合金車身中的地板、車頂、側(cè)墻三大部件，以及夾層端板組成等中小部件開(kāi)展了激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研發(fā)與樣件試制，實(shí)現(xiàn)了激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)在時(shí)速600km/h高速磁浮列車中的開(kāi)創(chuàng)性應(yīng)用。采用激光焊接明顯提高了車體制造精度，提升了生產(chǎn)效率，降低了后續(xù)加工及維護(hù)等生產(chǎn)成本，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

4.4 飛機(jī)鋁合金壁板結(jié)構(gòu)激光焊

航空飛機(jī)輕量化對(duì)減少燃油消耗、提升續(xù)航里程、延長(zhǎng)飛機(jī)壽命等具有重要作用。與鈦合金、碳纖維復(fù)合材料相比，鋁合金成本相對(duì)較低，因此在飛機(jī)機(jī)身制造中，鋁合金應(yīng)用占有較大的比例，主要以7系、6系、2系鋁合金為主。在機(jī)身壁板蒙皮與桁條連接應(yīng)用中，傳統(tǒng)方法使用鉚接技術(shù)，蒙皮與桁條采用搭接結(jié)構(gòu)。由于鉚釘與桁條搭接邊產(chǎn)生了額外的重量，并且生產(chǎn)效率較低，所以將桁條與蒙皮改為T(mén)形結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)左右兩側(cè)分別同步實(shí)施激光填絲焊，取代搭接邊與鉚釘，對(duì)減輕機(jī)身重量、提高連接效率、降低制造成本效果明顯。比如，空客A380機(jī)型中8張壁板采用雙側(cè)激光同步焊接技術(shù)制造，降低機(jī)身重量10%[9]。當(dāng)前生產(chǎn)應(yīng)用中，實(shí)施激光焊接的材料主要是6系鋁合金，國(guó)內(nèi)在鋁合金T形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究上聚焦于應(yīng)用前景較大的鋁鋰合金雙側(cè)激光焊接工藝研究，并進(jìn)行了樣件試制。但是，鋁鋰合金激光焊接存在接頭軟化、腐蝕，以及焊縫氣孔、裂紋等影響接頭性能的關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展取決于鋁合金材料、激光焊接工藝與焊接設(shè)備的創(chuàng)新，通常需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行專門(mén)的工藝研發(fā)、性能評(píng)估與裝備搭建，特別是軌道列車、航空飛機(jī)等大尺寸結(jié)構(gòu)件，從技術(shù)研究到生產(chǎn)應(yīng)用需要數(shù)年甚至十幾年時(shí)間。當(dāng)前，鋁合金激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用在材料焊接性相對(duì)較好、服役條件相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下。航空用新型鋁鋰合金、高強(qiáng)度7系鋁合金激光焊接面臨著更加復(fù)雜的焊接冶金問(wèn)題，船舶、壓力容器等行業(yè)鋁合金厚板結(jié)構(gòu)激光焊接則需要解決工藝和裝備問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)焊接性相對(duì)較差的高性能鋁合金激光焊接，以及鋁合金厚板復(fù)雜結(jié)構(gòu)高效激光焊接，是鋁合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向。焊接設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及其在焊接應(yīng)用中的適應(yīng)能力，是鋁合金激光焊接技術(shù)另一個(gè)發(fā)展方向。