铝合金激光焊接技术的应用与发展

随着激光技术和铝合金研制技术的发展，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，更有效地拓展铝合金激光焊接结构的应用潜力，从而了解铝合金激光焊接技术的应用现状及发展趋势就显得尤为重要。

高强度铝合金具有较高的比强度、比刚度、良好的耐腐蚀性、加工性和力学性能，已成为航空航天、船舶等载体领域不可或缺的金属材料，其中飞机应用较广泛。焊接技术在提高结构材料利用率、降低结构重量、实现复杂性和低成本制造方面具有独特的优势，其中铝合金激光焊接技术是热点。

与其它焊接方法相比，激光焊接光束的能量密度可达109W/cm2.同时具有加热集中、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，无真空环境，无焊接过程X-ray，特别适用于复杂结构的高精度焊接。该技术在工业中的比例已成为衡量国家工业加工水平的重要标志。例如，空客A380飞机和奥迪A8车以激光焊接铝合金结构的应用为先进标志。因此，激光焊接是铝合金焊接技术的重要发展方向。

随着材料技术的发展，各种高强度高韧性铝合金，特别是第三代铝锂合金、新型高强度铝合金，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激光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，如表1所示。

CO2气体激光的工作介质是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。CO虽然激光输出功率已到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，商用激光功率也达到25kW。A318飞机铝合金下壁板采用CO双光束激光焊接。

YAG固体激光工作介质为红宝石、钕玻璃和钕铝石榴石，输出波长为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。它是目前铝合金结构焊接的主要激光器，具有灵活的焊接操作和良好的焊接位置可达性。Nd:YAG固体激光在高功率运行过程中输入能量，导致激光腔温度升高，导致激光热透镜效应YAG激光功率和光电能转换效率低。近年来，用半导体泵和激光泵取代光泵固体激光器，不仅提高了光束质量，而且显著提高了能量转换率和泵灯的使用寿命，如近年来Yb:YAG Disc与光纤激光器相比，激光能量转换效率达到20%。

YLR光纤激光是2002年以后发展起来的一种新型激光器。它以光纤为基质材料，与不同的稀土离子混合，输出波长范围为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 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、光束质量高等优点，激光功率高；如图1所示，激光功率可达50kW。可见光纤激光的出现显著提高了焊接熔深和焊接速度。BIAS针对AA6082铝合金激光焊接对比研究结果表明，采用5082铝合金m/min的焊接速度，8kW 的YLR光纤激光的熔深为9mm，6kW的YAG激光焊接熔深为5mm，4kW的YAG激光焊接熔深为3mm。而采用17kW的YAG光纤焊接速度为6m/min，焊缝熔深为12mm，焊接3mm厚板较大焊接速度为20m/min，而且功率与束流质量的协调限制减小，接近电子束焊接特性，可焊接2000和7000系列难焊铝合金。根据英国激光协会的调查统计（Dr. J. Powell and Prof. W.M.Steen），热点光纤激光焊接与铝合金厚板激光焊接、德国激光焊接研究BAM 研究所(20 kW）、BIAS 研究所(17 kW）和IPG 公司（30 kW）还在研究铝合金厚板激光焊接，激光深熔焊接可达25mm。

铝合金激光焊接结构的应用研究

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铝合金结构各领域的应用。

德国德国的高端车Audi、Golf、Passat其他品牌采用铝合金屋顶激光焊接结构，从1999年到汽车底盘和车身，基于激光焊接和激光电弧复合焊接技术的综合利用，该技术很好地解决了小厚度结构焊接变形的问题，以及截面和端部焊接的缺陷控制。目前，激光焊接技术已成为汽车制造的标准化工艺，遍布车顶、车身、框架等钣金结构，宝马、通用汽车在框架顶部采用激光焊接，德国奔驰采用激光焊接传动部件，分别涉及Al-Mg系、Al-Mg-Si系及Al-Mg-Zn是铝合金。我国一些汽车制造商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，激光焊接将应用于装甲车结构。

为了实现轻量化制造，铝合金三明治结构激光焊接在船舶和高速列车结构制造中的应用和研究是目前研究的热点。英国焊接研究所是日本高速铁路制造商Nippon Sharyo高速列车墙板采用三明治铝合金激光焊接结构mm厚的AA6063轧板采用光纤激光电弧复合焊接实现各种形式的接头焊接，其中激光器为IPG 10 kW填充材料为光纤激光ER5356 焊丝，焊接激光功率4~5kW。AlCAN-Transrapid高速列车铝合金车顶结构也用激光焊接代替MIG焊接，功率为4kW的YAG 激光焊接速度为5m/min，焊缝长度达20m。

铝合金是航空航天结构中重要的金属结构材料，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。英国焊接研究所成功使用了4个kW的Nd:YAG进行了激光填丝焊AA2014铝合金带筋壁板的双光束YAG激光焊接直径为1.2mm的ER2319 铝合金焊丝质量好，焊接变形小于TIG 焊。Gobbi研究机翼下的铝合金油箱CO2激光焊接，接头孔严重，采用YAG激光焊接可获得高质量的焊接接头。和BIAS、Fraunhofer经过10年的合作，经过10年的努力，2003年在德国和法国实现了航空公交零部件制造商A318客机铝合金下壁板结构双光束CO激光填丝焊及YAG焊接速度为4~10m/min，这种焊接铆接结构将减轻飞机近20%的机身重量，降低 成本约为20%，已应用于A318、A380和A如图2所示，340系列飞机的壁板结构焊接也将在未来应用。A焊接350飞机壁板，壁板数量将达到18块，焊缝总长度将达到1万块m。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，特别是厚板焊接和异种金属焊接，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。综上所述：（1）激光聚焦点直径小，工件焊接装配精度要求高，装配间隙和错边量一般小于0.1mm或板厚的10%增加了复杂三维焊缝焊接结构的实施难度；（2）由于铝合金在室温条件下对激光的反射率高达90%，铝合金激光深熔焊接要求激光器具有较高的功率。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。通过焊缝成形特性参数的背宽比，可以评价全熔焊缝的工艺优化；（3）铝合金熔点低，液体金属流动性好，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/光等离子体云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、表面坍塌、咬边等缺陷；（4）激光焊接加热速度快，焊缝硬度高于电弧，但由于铝合金激光焊接中合金元素的燃烧，影响合金的强化，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，其中表面坍塌和咬边缺陷可以通过激光填充线焊接或激光电弧复合焊接来改善；焊缝气孔缺陷控制困难。现有研究结果表明，铝合金激光深熔焊有两种特征气孔，一种是冶金气孔，与电弧熔焊一样，由于材料污染或空气侵入而引起的氢气孔；另一种是工艺气孔，是由于激光深熔焊过程中固有的小孔波动不稳定引起的。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移动，其直径和深度受等离子体/金属蒸汽的影响而波动。随着光束的移动和熔池金属的流动，由于熔池金属的流动，未熔化的深熔焊在小孔的尖端出现气泡，而全熔化的深熔焊在小孔的腰部出现气泡。当气泡随着液体/金属蒸汽的流动而迁移或逃逸时，应考虑到熔池*焊接过程的稳定性。

（1）焊前处理。焊前表面处理是控制铝合金激光焊缝冶金气孔的有效方法。表面处理方法通常包括物理机械清洗和化学清洗。近年来，激光冲击清洗已经出现，这将进一步提高激光焊接的自动化水平。

（2）优化和控制焊接工艺参数的稳定性。铝合金激光焊接工艺参数通常主要包括激光功率、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接工艺的稳定性，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，进而影响焊缝形成，导致焊缝孔缺陷，激光深熔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铝合金激光焊缝孔的有效措施。研究结果表明，采用焊缝背面宽度与焊缝表面宽度（焊缝背面宽度）的比例，评价铝合金板焊缝的形成及其稳定性。当薄板激光焊接激光功率密度与线能量合理匹配时，可保证焊缝背面宽度的一定比，并能有效控制焊缝孔。

（3）双光点激光焊接。双光点激光焊接是指两束聚焦激光束同时作用于同一个熔池的焊接过程。焊缝孔形成的主要原因之一是激光深熔焊接过程中小孔内的气体瞬间关闭。双光点激光焊接时，由于两束光源的作用，小孔开口大，有利于内部金属蒸气的逃逸和小孔的稳定性，从而减少焊缝孔。A356、AA5083、2024 和5A90铝合金激光焊接研究表明，双光点激光焊接可显著降低焊缝气孔。

（4）激光电弧复合焊接。激光电弧复合焊接是将激光和电弧作用于同一熔池的焊接方法。一般来说，以激光为主要热源，利用激光与电弧的相互作用，提高激光焊接的熔深和焊接速度，降低焊接装配精度。利用填充焊丝调节焊接接头的组织性能，利用电弧的辅助作用提高激光焊接孔的稳定性，有利于降低焊接孔。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，有利于激光能量的吸收和孔的稳定性。铝合金激光电弧复合焊缝的研究结果也证实了其效果。

(5) 光纤激光焊接。激光深熔焊接过程中的小孔效应源于激光作用下金属的强蒸发。金属汽化蒸汽力与激光功率密度和束流品质密切相关，不仅影响激光焊接的熔深，也影响小孔稳定性。Seiji. 等对SUS304不锈钢大功率光纤激光研究显示：高速焊接时熔池拉长，抑制了飞溅，小孔波动稳定，小孔尖端无气泡产生，当光纤激光用于钛合金、铝合金高速焊接时，同样可获得无气孔的焊缝。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。

（6） 脉冲激光焊接。与连续激光焊接相比，激光输出采用脉动方式输出，可促使熔池产生周期性稳定流动，有利于熔池气泡逸出而减少焊缝气孔。T Y Kuo和S L Jeng研究了YAG 激光焊接激光功率输出方式，对SUS 304L不锈钢和inconel 690高温合金焊缝气孔及性能的影响结果表明：对于方波脉冲激光焊接来说，当基值功率为1700w时，随着脉冲幅值ΔP的增加，焊缝气孔减少，其中不锈钢的气孔率由2.1% 降至0.5%，高温合金的气孔率由7.1% 降至 0.5%。

（7）焊后复合处理技术。在实际工程应用中，即使焊前进行了严格的表面处理，焊接过程稳定性较好，铝合金激光焊接也会不可避免地产生焊缝气孔，因此利用焊后处理消除气孔的方法是很重要的。该方法目前主要是修饰焊。热等静压技术是铝合金铸件消除内部气孔和缩松的方法之一，将其与铝合金激光焊后应力热处理结合，形成铝合金激光焊接构件热等静压与热处理组成复合工艺，既消除焊缝气孔，又改善接头性能。

结束语

由于激光深熔焊接本身的优点，使激光焊接铝合金在国外受到了广泛地关注，并已成为航空航天、车辆、舰船等载运工具结构制造技术的重要研发方向，尤其是光纤激光与Disc激光等新型高亮度大功率基础的发展，进一步拓展了铝合金激光焊接结构应用前景。但是，由于铝合金特性，大功率激光焊接应用还存在许多问题有待深入研究，其主要问题就是控制焊缝气孔缺陷，提高焊接质量。铝合金激光焊缝气孔工程化控制应综合考虑焊接前、焊接过程、焊接后处理的各个环节，从而提高焊接过程稳定性。由此已衍生出很多新技术新工艺，如焊前激光清理、焊接工艺参数背宽比控制优化、双光束激光焊、激光电弧复合焊、脉冲激光焊和光纤激光焊接等。