铝合金的激光焊接工艺难点分析

表示激光焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等优点，使其在铝合金焊接领域受到格外的重视。

一、铝合金焊接技术

铝合金比强度高，疲劳强度高，断裂韧性好，裂纹膨胀率低，成型工艺好，耐腐蚀性好，广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶、化工等行业。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，焊接技术的发展拓展了铝合金的应用领域。

然而，铝合金本身的特点使其相关焊接技术面临着一些亟待解决的问题：表面不熔氧化膜、接头软化、易产生气孔、易热变形、导热性过大等。传统的铝合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊接工艺，虽然这两种焊接方法能量密度大，焊接铝合金时接头良好，但仍存在熔化能力差、焊接变形大、生产效率低等缺点。因此，人们开始寻求新的焊接方法，激光技术在20世纪中后期逐渐应用于工业。生产A340飞机机身采用激光焊接技术取代原有铆接工艺，使机身重量降低约18%，制造成本降低近25%。德国奥迪A2和A8全铝结构汽车也受益于铝合金激光焊接技术的开发和应用。这些成功的例子极大地促进了激光焊接铝合金的研究，激光技术已成为未来铝合金焊接技术的主要发展方向。激光焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小、焊接变形小等优点，在铝合金焊接领域尤为重要。

二、铝合金激光焊接问题及对策

1. 铝合金表面反射性高，导热性高

这一特性可以用铝合金的微观结构来解释。由于铝合金中有高密度的自由电子，自由电子被激光（强电磁波）强制振动，导致强反射波和弱透射波，铝合金表面对激光反射率高，吸收率小。同时，自由电子的布朗运动变得更加剧烈，因此铝合金也具有很高的导热性。

鉴于铝合金对激光的高反射，国内外进行了大量研究，试验结果表明，喷砂、砂纸研磨、表面化学腐蚀、表面镀、石墨涂层、空气炉氧化等适当的表面预处理可以减少光束反射，有效增加铝合金对光束能量的吸收。此外，从焊接结构设计的角度来看，在铝合金表面人工孔或采用光收集器形式接头，打开V形坡口或拼接（拼接间隙相当于人工孔） 法可增加铝合金对激光的吸收，获得较大的熔化深度。此外，还可以使用合理的焊接间隙设计来增加铝合金表面对激光能量的吸收。

2. 小孔效应及等离子体对铝合金激光焊接的影响

在铝合金激光焊接过程中，孔的出现可以大大提高材料对激光的吸收率，焊接可以获得更多的能量，铝元素和铝合金Mg、Zn、Li沸点低，易蒸发，蒸汽压力大。虽然这有助于形成小孔，但等离子体的冷却作用（等离子体屏蔽和吸收能量，减少激光对母材的能量输入）使等离子体本身"过热"；，但阻碍了孔的连续存在，容易产生孔等焊接缺陷，从而影响焊接成型和接头的力学性能，因此孔的诱导和稳定性已成为保证激光焊接质量的关键。

由于铝合金的高反射性和高导热性，激光需要更高的能量密度才能诱导孔的形成。由于能量密度阈值基本上由其合金成分控制，激光功率可以通过控制工艺参数来确定，以确保适当的热输入，从而获得稳定的焊接过程。此外，能量密度阈值在一定程度上也受到保护气体类型的影响。例如，使用激光焊接铝合金N2气体容易诱导小孔，使用He气不能诱导小孔。这是因为N2和Al放热反应和产生之间可以发生Al-N-O 三元化合物提高了激光吸收率。

3. 气孔问题

铝合金种类不同，产生的气孔类型也不同。一般认为，铝合金在焊接过程中产生以下几类气孔。

1) 氢气孔。铝合金在氢环境中熔化后，其内部氢含量可达0.69ml/100g以上。但凝固后，平衡状态下的溶氢能力较多只有0.036ml/100g，两者相差近20倍。因此，在从液体向固体转变的过程中，必须沉淀液体铝中多余的氢。如果沉淀的氢不能顺利浮出，固体铝合金就会聚集成气泡，残留成气孔。

2） 保护气体产生的气孔。在高能激光焊接铝合金的过程中，由于熔池底部小孔*金属的强蒸发，保护气体卷入熔池形成气泡。当气泡在固体铝合金中停留时，气泡就会变成气孔。

3） 孔坍塌产生的孔。在激光焊接过程中，当表面张力大于蒸汽压力时，孔不会保持稳定和坍塌，金属没有时间填充形成孔。还有许多实际措施来减少或避免铝合金激光焊接中的孔隙缺陷，如调整激光功率波形，减少孔隙不稳定坍塌，改变光束焦点高度和倾斜照射，在焊接过程中施加电磁经场和真空焊接。近年来，采用填充或预置合金粉末、复合热源和双焦技术减少孔隙生产的过程，效果良好。

4. 裂纹问题

铝合金是一种典型的共晶合金，在激光焊接的快速凝固下更容易产生热裂纹。AL-Si或Mg-Si低熔点共晶是裂纹的原因。为了减少热裂纹，激光焊接可以通过填充或预置合金粉末进行。通过调整激光波形，控制热输入也可以减少结晶裂纹。

三、铝合金激光焊接的发展前景

铝合金激光焊接较引人注目的特点是其高效率，充分发挥这种高效率是将其应用于大厚度深熔焊接。因此，研究和使用大功率激光器进行大厚度深熔焊接将是未来发展的必然趋势。大厚度深熔焊突出了孔隙现象和对焊缝孔隙的影响，因此孔隙形成的机制和控制变得越来越多，将成为行业共同关注和研究的热点问题。

提高激光焊接标是提高激光焊接过程的稳定性和焊缝成型，提高焊接质量。因此，将进一步完善和发展激光-电弧复合工艺、钢丝填充激光焊接、预置粉未激光焊接、双焦技术、光束整形等新技术。