铝合金激光焊接技术的广泛应用

随着激光技术和铝合金开发技术的发展，进一步开展铝合金激光焊接应用技术基础研究，开发铝合金激光焊接新工艺，更有效地扩大铝合金激光焊接结构的应用潜力，了解铝合金激光焊接技术的应用现状和发展趋势尤为重要。

高强铝合金具有较高的比强度、比刚度，良好的耐腐蚀性能、加工性能和力学性能 已成为航空航天、舰船等载运领域结构轻量化制造不可或缺的金属材料，其中飞机应用较多。焊接技术在提高结构材料利用率、减轻结构重量、实现复杂及异种材料整体结构低成本制造方面独具优势，其中铝合金激光焊接技术是倍受关注的热点。

与其他焊接方法相比，激光焊具有加热集中、热损伤小、焊缝深宽比大、焊接变形小等优点。焊接过程易于集成、自动化、灵活，可实现高速高精度焊接，特别适用于复杂结构的高精度焊接。

随着材料技术的发展，各种强高韧铝合金，特别是第三代铝锂合金、新型高强铝合金，对铝合金激光焊接技术提出了越来越高的要求，铝合金的多样性也带来了各种激光焊接新问题，必须深入研究这些问题，更有效地扩大铝合金激光焊接结构的应用潜力。

大功率激光器

激光焊接是一种将高强度辐射到金属表面并通过激光与金属之间的热耦合形成焊缝的技术。根据激光焊接的热作用机制，可分为热导焊和深熔焊。前者主要用于精密零件的包装焊接或微纳焊接；后者在焊接过程中经常产生类似于电子束焊接的小孔效应，形成较大的深宽焊缝。激光深熔焊接所需的激光功率较高。目前，激光深熔焊接的大功率激光主要有四种类型。

CO2气体激光

工作介质为CO2气体，输出10.6μm根据激光激发结构，波长激光分为横流和轴流。CO2虽然激光输出功率已经达到150kW，但光束质量差，不适合焊接；轴流CO2激光具有良好的光束质量，可用于高激光反射率的铝合金焊接。

YAG固体激光

输出波长为红宝石、钕玻璃钕铝石榴石等1.06μm的激光。YAG激光比CO2激光更容易被金属吸收，受等离子体影响较小，是目前铝合金结构焊接的主要激光器。

YLR光纤激光

是2002年以后发展起来的新型激光器，以光纤为基质材料，与不同稀土离子混合，输出波长范围在1.08μm左右，也是光纤传输。光纤激光革命性地采用了双包层光纤结构，增加了泵的长度， 提高了泵的效率，大大提高了光纤激光器的输出功率。YAG 与激光相比，YLR虽然光纤激光出现较晚，但具有体积小、运行成本低、光束质量高、激光功率高等优点。

研究铝合金激光焊接结构的应用

自20世纪90年代以来，随着科学技术的发展和大功率高亮度激光器的出现，激光焊接技术的集成、智能、灵活、多样化越来越成熟，国内外更加关注激光焊接在各领域铝合金结构的应用。 目前，我国一些汽车制造商已经在一些新车型中采用了激光焊接技术。随着铝合金厚板激光焊接技术的发展，激光焊接将在未来的装甲车结构中应用。

为了实现轻量化制造，铝合金三明治结构在船舶和高速列车结构制造中的应用和研究是目前的研究热点。铝合金是航空航天结构的重要金属结构材料，因此日本、美国、英国、德国等发达国家非常重视铝合金激光焊接技术的研究。

随着光纤激光焊接技术的发展，光纤激光焊接和激光电弧复合焊接技术已被列为铝合金焊接技术的重点，特别是厚板焊接和不同金属的焊接，如美国NALI民机和项目F光纤激光焊接和激光电弧复合焊接技术正在研究飞机发动机燃烧室结构。

铝合金激光焊接的特点

与常规熔化焊相比，铝合金激光焊接加热集中，焊缝深宽比大，焊接结构变形小，但也存在一些不足，总结如下：

激光聚焦光斑直径小，工件焊接装配精度要求高。通常，装配间隙和错边量应小于0.1mm或10%的板厚增加了复杂三维焊缝焊接结构的实施难度；

(2)由于室温条件下铝合金激光的反射率高达90%，因此铝合金激光深熔焊需要激光具有较高的功率。铝合金薄板激光焊接研究表明，铝合金激光深熔焊接取决于激光功率密度和线能双阈值。激光功率密度和线能共同限制了焊接过程中的熔池行为，较终体现在焊缝的成形特性上。

(3)铝合金熔点低，液体流动性好，在大功率激光的作用下产生强烈的金属蒸发。焊接过程中小孔效应形成的金属蒸汽/ 光等离子体影响铝合金对激光能量的吸收，导致深熔焊接过程不稳定，焊缝容易产生气孔、表面塌陷、咬边等缺陷；

（4）激光焊接加热冷却硬度高于电弧，但由于铝合金激光焊接合金元素燃烧，影响合金强化，铝合金焊缝仍存在软化问题，从而降低铝合金焊接接头的强度。因此，铝合金激光焊接的主要问题是控制焊缝缺陷，提高焊接接头的性能。

铝合金激光焊接缺陷控制技术

在大功率激光的作用下，铝合金激光深熔焊缝的主要缺陷是气孔、表面坍塌和咬边，通过激光填充线焊接或激光电弧复合焊接可以改善表面坍塌和咬边缺陷；焊缝气孔缺陷难以控制。

目前的研究结果表明，铝合金激光深熔焊有两种特征孔，一种是冶金孔，与电弧熔焊一样，材料污染或空气侵入引起的氢孔；另一种是工艺孔，是由激光深熔焊固有孔不稳定波动引起的。

在激光深熔焊过程中，由于液体金属的粘附作用，小孔往往滞后于光束的运动，其直径和深度受等离子体/金属蒸汽的影响而波动。随着光束的运动和熔池金属的流动，由于熔池金属的流动，气泡出现在小孔的尖端，而完全熔化的深熔焊接则出现在小孔中部的腰部。气泡随着液体金属的流动而迁移和滚动，或从熔池表面逃逸，或被推回小孔。当气泡被熔池固化并被金属*捕获时，它就变成了焊缝孔。

表面处理主要由焊接前表面处理控制和合理的气体保护控制，工艺孔的关键是确保激光深熔焊工艺孔的稳定性。根据国内激光焊接技术的研究，铝合金激光深熔焊孔的控制应综合考虑焊接前、焊接工艺和焊接后处理的各个环节，总结为以下新工艺和新技术。

焊前处理方法

前表面处理是控制铝合金焊缝冶金孔的有效方法。表面处理方法通常包括物理机械清洗和化学清洗。近年来，激光冲击清洗也出现了，这将进一步提高激光焊接的自动化程度。

参数稳定性控制

表面焊接时，表面焊接的数量通常包括激光功率、离焦量、焊接速度、气体保护的成分和流量。这些参数不仅影响了焊接区域的保护效果，而且还影响了激光深熔焊过程的稳定性，从而影响了焊接孔。通过铝合金板激光深熔焊，发现孔穿透稳定性影响熔池的稳定性，进而影响焊响焊缝形成，导致焊缝孔缺陷，激光深熔化焊接稳定性与激光功率密度和线量匹配有关，因此确定合理稳定焊缝形成的工艺参数是有效控制合金焊缝孔的有效措施。研究表面焊接的稳定性

双光点激光焊接

双聚焦激光焊接是指两束聚焦激光束同时作用于同一熔池的焊接过程。在激光深熔过程中，焊缝孔形成的主要原因之一是立即关闭熔池中的气体。当采用双光点激光焊接时，由于两束光源的作用，小孔开口大，有利于内部金属蒸汽的逃逸和小孔的稳定性，从而减少焊接孔。A356、AA5083、2024 和5A90铝合金激光焊接的研究表明，双光点激光焊接可显著降低焊缝气孔。

焊接激光电弧

激光电弧复合焊接是将激光与电弧作用于同一熔池的焊接方法。一般以激光为主要热源，利用激光与电弧的相互作用，提高激光焊接熔深和焊接速度，降低焊接装配精度。利用填充焊丝调控焊接接头的组织性能，利用电弧的辅助作用改善激光焊接小孔的稳定性，从而有利于减少焊缝气孔。在激光电弧复合焊接过程中，电弧影响激光过程诱发的金属蒸汽/等离子体云，有利于材料对激光能量的吸收和小孔的稳定性。对铝合金激光电弧复合焊接焊缝研究结果也证实了其效果。

光纤激光焊接

激光深熔焊接过程中的小孔效应来自激光下金属的强蒸发。金属蒸发力与激光功率密度和束流质量密切相关，不仅影响激光焊接的熔深，而且影响小孔的稳定性。Seiji. 等对SUS304不锈钢大功率光纤激光研究表明，熔池在高速焊接飞溅，孔波动稳定，孔尖无气泡。当光纤激光用于钛合金和铝合金的高速焊接时，也可以获得无气孔的焊缝。Allen 等对钛合金光纤激光焊接保护气体控制技术研究显示：通过控制焊接保护气体的位置，可防止气体的卷入，减少小孔闭合时间，稳定焊接小孔，并改变熔池的凝固行为，从而减少焊缝气孔。

脉冲激光焊接

与连续激光焊接相比，脉动输出可促进熔池循环稳定流动，有利于熔池气泡逸出，减少焊缝气孔。T Y Kuo和S L Jeng研究了YAG 激光焊接激光功率输出模式SUS 304L不锈钢和inconel 690高温合金焊缝气孔和性能的影响表明，对于方波脉冲激光焊接，当基值功率为1700w随脉冲幅值而来ΔP随着焊缝气孔的增加，不锈钢的气孔率从2.1% 降至0.5%，高温合金的气孔率由7.1% 降至 0.5%。

即使在实际工程应用中，表面处理严格，焊接过程稳定性好，铝合金激光焊接也不可避免地产生焊接孔，因此采用焊接后处理消除孔的方法非常重要。该方法目前主要是修改焊接。热等静压技术是铝合金铸件消除内孔和松动的方法之一，结合铝合金激光焊接后应力热处理，形成铝合金激光焊接部件热等静压和热处理，不仅消除焊缝孔，而且提高接头性能。

由于铝合金的特点，大功率光焊接的应用仍有许多问题需要深入研究。主要问题是控制焊缝孔隙缺陷，提高焊接质量。铝合金激光焊缝孔工程控制应综合考虑焊接前、焊接工艺和焊接后处理的各个环节，以提高焊接工艺的稳定性。因此，有许多新的技术和工艺，如焊接前激光清洗、焊接工艺参数宽比控制优化、双光束激光焊接、激光电弧复合焊接、脉冲激光焊接和光纤激光焊接。