隨著激光技術(shù)和鋁合金研制技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步開展鋁合金激光焊接應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)研究、開發(fā)鋁合金激光焊接新工藝，更有效地拓展鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力，從而了解鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢就顯得尤為重要。

高強(qiáng)度鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、良好的耐腐蝕性、加工性和力學(xué)性能，已成為航空航天、船舶等載體領(lǐng)域不可或缺的金屬材料，其中飛機(jī)應(yīng)用較廣泛。焊接技術(shù)在提高結(jié)構(gòu)材料利用率、降低結(jié)構(gòu)重量、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性和低成本制造方面具有*特的優(yōu)勢，其中鋁合金激光焊接技術(shù)是熱點(diǎn)。

與其它焊接方法相比，激光焊接光束的能量密度可達(dá)109W/cm2.同時(shí)具有加熱集中、熱損傷小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)。焊接過程易于集成、自動(dòng)化、靈活，可實(shí)現(xiàn)高速高精度焊接，無真空環(huán)境，無焊接過程X-ray，特別適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度焊接。該技術(shù)在工業(yè)中的比例已成為衡量國家工業(yè)加工水平的重要標(biāo)志。例如，空客A380飛機(jī)和奧迪A8車以激光焊接鋁合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用為先進(jìn)標(biāo)志。因此，激光焊接是鋁合金焊接技術(shù)的重要發(fā)展方向。

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，各種高強(qiáng)度高韌性鋁合金，特別是*三代鋁鋰合金、新型高強(qiáng)度鋁合金，對鋁合金激光焊接技術(shù)提出了越來越高的要求，鋁合金的多樣性也帶來了各種激光焊接新問題，必須深入研究這些問題，更有效地?cái)U(kuò)大鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力。

大功率激光器

激光焊接是一種將高強(qiáng)度激光輻射到金屬表面并通過激光與金屬之間的熱耦合形成焊縫的技術(shù)。根據(jù)激光焊接的熱作用機(jī)制，可分為熱導(dǎo)焊和深熔焊。前者主要用于精密零件的包裝焊接或微納焊接；后者在焊接過程中經(jīng)常產(chǎn)生類似于電子束焊接的小孔效應(yīng)，形成較大的深寬焊縫。激光深熔焊接所需的激光功率較高。目前，激光深熔焊接的大功率激光主要有四種類型，如表1所示。

CO2氣體激光的工作介質(zhì)是CO2氣體，輸出10.6μm根據(jù)激光激發(fā)結(jié)構(gòu)，波長激光分為橫流和軸流。CO雖然激光輸出功率已到150kW，但光束質(zhì)量差，不適合焊接；軸流CO2激光具有良好的光束質(zhì)量，可用于高激光反射率的鋁合金焊接，商用激光功率也達(dá)到25kW。A318飛機(jī)鋁合金下壁板采用CO雙光束激光焊接。

YAG固體激光工作介質(zhì)為紅寶石、釹玻璃和釹鋁石榴石，輸出波長為1.06μm的激光。YAG激光比CO2激光更容易被金屬吸收，受等離子體影響較小。它是目前鋁合金結(jié)構(gòu)焊接的主要激光器，具有靈活的焊接操作和良好的焊接位置可達(dá)性。Nd:YAG固體激光在高功率運(yùn)行過程中輸入能量，導(dǎo)致激光腔溫度升高，導(dǎo)致激光熱透鏡效應(yīng)YAG激光功率和光電能轉(zhuǎn)換效率低。近年來，用半導(dǎo)體泵和激光泵取代光泵固體激光器，不僅提高了光束質(zhì)量，而且顯著提高了能量轉(zhuǎn)換率和泵燈的使用壽命，如近年來Yb:YAG Disc與光纖激光器相比，激光能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20%。

YLR光纖激光是2002年以后發(fā)展起來的一種新型激光器。它以光纖為基質(zhì)材料，與不同的稀土離子混合，輸出波長范圍為1.08μm左右，也是光纖傳輸。光纖激光革命性地采用了雙包層光纖結(jié)構(gòu)，增加了泵的長度，提高了泵的效率，大大提高了光纖激光器的輸出功率。YAG 激光相比，YLR雖然光纖激光出現(xiàn)較晚，但具有體積小、運(yùn)行成本低、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，激光功率高；如圖1所示，激光功率可達(dá)50kW?？梢姽饫w激光的出現(xiàn)顯著提高了焊接熔深和焊接速度。BIAS針對AA6082鋁合金激光焊接對比研究結(jié)果表明，采用5082鋁合金m/min的焊接速度，8kW 的YLR光纖激光的熔深為9mm，6kW的YAG激光焊接熔深為5mm，4kW的YAG激光焊接熔深為3mm。而采用17kW的YAG光纖焊接速度為6m/min，焊縫熔深為12mm，焊接3mm厚板較大焊接速度為20m/min，而且功率與束流質(zhì)量的協(xié)調(diào)限制減小，接近電子束焊接特性，可焊接2000和7000系列難焊鋁合金。根據(jù)英國激光協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)（Dr. J. Powell and Prof. W.M.Steen），熱點(diǎn)光纖激光焊接與鋁合金厚板激光焊接、德國激光焊接研究BAM 研究所(20 kW）、BIAS 研究所(17 kW）和IPG 公司（30 kW）還在研究鋁合金厚板激光焊接，激光深熔焊接可達(dá)25mm。

鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究

自20世紀(jì)90年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和大功率高亮度激光器的出現(xiàn)，激光焊接技術(shù)的集成、智能、靈活、多樣化越來越成熟，國內(nèi)外更加關(guān)注激光焊接在鋁合金結(jié)構(gòu)各領(lǐng)域的應(yīng)用。

德國德國的高端車Audi、Golf、Passat其他品牌采用鋁合金屋頂激光焊接結(jié)構(gòu)，從1999年到汽車底盤和車身，基于激光焊接和激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)的綜合利用，該技術(shù)很好地解決了小厚度結(jié)構(gòu)焊接變形的問題，以及截面和端部焊接的缺陷控制。目前，激光焊接技術(shù)已成為汽車制造的標(biāo)準(zhǔn)化工藝，遍布車頂、車身、框架等鈑金結(jié)構(gòu)，寶馬、通用汽車在框架**部采用激光焊接，德國奔馳采用激光焊接傳動(dòng)部件，分別涉及Al-Mg系、Al-Mg-Si系及Al-Mg-Zn是鋁合金。我國一些汽車制造商在一些新車型中采用了激光焊接技術(shù)。隨著鋁合金厚板激光焊接技術(shù)的發(fā)展，激光焊接將應(yīng)用于裝甲車結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)輕量化制造，鋁合金三明治結(jié)構(gòu)激光焊接在船舶和高速列車結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用和研究是目前研究的熱點(diǎn)。英國焊接研究所是日本高速鐵路制造商N(yùn)ippon Sharyo高速列車墻板采用三明治鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)mm厚的AA6063軋板采用光纖激光電弧復(fù)合焊接實(shí)現(xiàn)各種形式的接頭焊接，其中激光器為IPG 10 kW填充材料為光纖激光ER5356 焊絲，焊接激光功率4~5kW。AlCAN-Transrapid高速列車鋁合金車頂結(jié)構(gòu)也用激光焊接代替MIG焊接，功率為4kW的YAG 激光焊接速度為5m/min，焊縫長度達(dá)20m。

鋁合金是航空航天結(jié)構(gòu)中重要的金屬結(jié)構(gòu)材料，因此日本、美國、英國、德國等發(fā)達(dá)國家非常重視鋁合金激光焊接技術(shù)的研究。英國焊接研究所成功使用了4個(gè)kW的Nd:YAG進(jìn)行了激光填絲焊AA2014鋁合金帶筋壁板的雙光束YAG激光焊接直徑為1.2mm的ER2319 鋁合金焊絲質(zhì)量好，焊接變形小于TIG 焊。Gobbi研究機(jī)翼下的鋁合金油箱CO2激光焊接，接頭孔嚴(yán)重，采用YAG激光焊接可獲得高質(zhì)量的焊接接頭。和BIAS、Fraunhofer經(jīng)過10年的合作，經(jīng)過10年的努力，2003年在德國和法國實(shí)現(xiàn)了航空公交零部件制造商A318客機(jī)鋁合金下壁板結(jié)構(gòu)雙光束CO激光填絲焊及YAG焊接速度為4~10m/min，這種焊接鉚接結(jié)構(gòu)將減輕飛機(jī)近20%的機(jī)身重量，降低 成本約為20%，已應(yīng)用于A318、A380和A如圖2所示，340系列飛機(jī)的壁板結(jié)構(gòu)焊接也將在未來應(yīng)用。A焊接350飛機(jī)壁板，壁板數(shù)量將達(dá)到18塊，焊縫總長度將達(dá)到1萬塊m。隨著光纖激光焊接技術(shù)的發(fā)展，光纖激光焊接和激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)已被列為鋁合金焊接技術(shù)的重點(diǎn)，特別是厚板焊接和異種金屬焊接，如美國NALI民機(jī)和項(xiàng)目F光纖激光焊接和激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)正在研究飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)。

鋁合金激光焊接的特點(diǎn)

與常規(guī)熔化焊相比，鋁合金激光焊接加熱集中，焊縫深寬比大，焊接結(jié)構(gòu)變形小，但也存在一些不足。綜上所述：（1）激光聚焦點(diǎn)直徑小，工件焊接裝配精度要求高，裝配間隙和錯(cuò)邊量一般小于0.1mm或板厚的10%增加了復(fù)雜三維焊縫焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)施難度；（2）由于鋁合金在室溫條件下對激光的反射率高達(dá)90%，鋁合金激光深熔焊接要求激光器具有較高的功率。鋁合金薄板激光焊接研究表明，鋁合金激光深熔焊接取決于激光功率密度和線能雙閾值。激光功率密度和線能共同限制了焊接過程中的熔池行為，較終體現(xiàn)在焊縫的成形特性上。通過焊縫成形特性參數(shù)的背寬比，可以評價(jià)全熔焊縫的工藝優(yōu)化；（3）鋁合金熔點(diǎn)低，液體金屬流動(dòng)性好，在大功率激光的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的金屬蒸發(fā)。焊接過程中小孔效應(yīng)形成的金屬蒸汽/光等離子體云影響鋁合金對激光能量的吸收，導(dǎo)致深熔焊接過程不穩(wěn)定，焊縫容易產(chǎn)生氣孔、表面坍塌、咬邊等缺陷；（4）激光焊接加熱速度快，焊縫硬度**電弧，但由于鋁合金激光焊接中合金元素的燃燒，影響合金的強(qiáng)化，鋁合金焊縫仍存在軟化問題，從而降低鋁合金焊接接頭的強(qiáng)度。因此，鋁合金激光焊接的主要問題是控制焊縫缺陷，提高焊接接頭的性能。

鋁合金激光焊接缺陷控制技術(shù)

在大功率激光的作用下，鋁合金激光深熔焊縫的主要缺陷是氣孔、表面坍塌和咬邊，其中表面坍塌和咬邊缺陷可以通過激光填充線焊接或激光電弧復(fù)合焊接來改善；焊縫氣孔缺陷控制困難?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，鋁合金激光深熔焊有兩種特征氣孔，一種是冶金氣孔，與電弧熔焊一樣，由于材料污染或空氣侵入而引起的氫氣孔；另一種是工藝氣孔，是由于激光深熔焊過程中固有的小孔波動(dòng)不穩(wěn)定引起的。在激光深熔焊過程中，由于液體金屬的粘附作用，小孔往往滯后于光束移動(dòng)，其直徑和深度受等離子體/金屬蒸汽的影響而波動(dòng)。隨著光束的移動(dòng)和熔池金屬的流動(dòng)，由于熔池金屬的流動(dòng)，未熔化的深熔焊在小孔的尖端出現(xiàn)氣泡，而全熔化的深熔焊在小孔的腰部出現(xiàn)氣泡。當(dāng)氣泡隨著液體/金屬蒸汽的流動(dòng)而遷移或逃逸時(shí)，應(yīng)考慮到熔池*焊接過程的穩(wěn)定性。

（1）焊前處理。焊前表面處理是控制鋁合金激光焊縫冶金氣孔的有效方法。表面處理方法通常包括物理機(jī)械清洗和化學(xué)清洗。近年來，激光沖擊清洗已經(jīng)出現(xiàn)，這將進(jìn)一步提高激光焊接的自動(dòng)化水平。

（2）優(yōu)化和控制焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。鋁合金激光焊接工藝參數(shù)通常主要包括激光功率、離焦量、焊接速度、氣體保護(hù)的成分和流量。這些參數(shù)不僅影響了焊接區(qū)域的保護(hù)效果，而且還影響了激光深熔焊接工藝的穩(wěn)定性，從而影響了焊接孔。通過鋁合金板激光深熔焊，發(fā)現(xiàn)孔穿透穩(wěn)定性影響熔池的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響焊縫形成，導(dǎo)致焊縫孔缺陷，激光深熔焊接穩(wěn)定性與激光功率密度和線量匹配有關(guān)，因此確定合理穩(wěn)定焊縫形成的工藝參數(shù)是有效控制鋁合金激光焊縫孔的有效措施。研究結(jié)果表明，采用焊縫背面寬度與焊縫表面寬度（焊縫背面寬度）的比例，評價(jià)鋁合金板焊縫的形成及其穩(wěn)定性。當(dāng)薄板激光焊接激光功率密度與線能量合理匹配時(shí)，可保證焊縫背面寬度的一定比，并能有效控制焊縫孔。

（3）雙光點(diǎn)激光焊接。雙光點(diǎn)激光焊接是指兩束聚焦激光束同時(shí)作用于同一個(gè)熔池的焊接過程。焊縫孔形成的主要原因之一是激光深熔焊接過程中小孔內(nèi)的氣體瞬間關(guān)閉。雙光點(diǎn)激光焊接時(shí)，由于兩束光源的作用，小孔開口大，有利于內(nèi)部金屬蒸氣的逃逸和小孔的穩(wěn)定性，從而減少焊縫孔。A356、AA5083、2024 和5A90鋁合金激光焊接研究表明，雙光點(diǎn)激光焊接可顯著降低焊縫氣孔。

（4）激光電弧復(fù)合焊接。激光電弧復(fù)合焊接是將激光和電弧作用于同一熔池的焊接方法。一般來說，以激光為主要熱源，利用激光與電弧的相互作用，提高激光焊接的熔深和焊接速度，降低焊接裝配精度。利用填充焊絲調(diào)節(jié)焊接接頭的組織性能，利用電弧的輔助作用提高激光焊接孔的穩(wěn)定性，有利于降低焊接孔。在激光電弧復(fù)合焊接過程中，電弧影響激光過程誘發(fā)的金屬蒸汽/等離子體云，有利于激光能量的吸收和孔的穩(wěn)定性。鋁合金激光電弧復(fù)合焊縫的研究結(jié)果也證實(shí)了其效果。

(5) 光纖激光焊接。激光深熔焊接過程中的小孔效應(yīng)源于激光作用下金屬的強(qiáng)蒸發(fā)。金屬汽化蒸汽力與激光功率密度和束流品質(zhì)密切相關(guān)，不僅影響激光焊接的熔深，也影響小孔穩(wěn)定性。Seiji. 等對SUS304不銹鋼大功率光纖激光研究顯示：高速焊接時(shí)熔池拉長，抑制了飛濺，小孔波動(dòng)穩(wěn)定，小孔尖端無氣泡產(chǎn)生，當(dāng)光纖激光用于鈦合金、鋁合金高速焊接時(shí)，同樣可獲得無氣孔的焊縫。Allen 等對鈦合金光纖激光焊接保護(hù)氣體控制技術(shù)研究顯示：通過控制焊接保護(hù)氣體的位置，可防止氣體的卷入，減少小孔閉合時(shí)間，穩(wěn)定焊接小孔，并改變?nèi)鄢氐哪绦袨?，從而減少焊縫氣孔。

（6） 脈沖激光焊接。與連續(xù)激光焊接相比，激光輸出采用脈動(dòng)方式輸出，可促使熔池產(chǎn)生周期性穩(wěn)定流動(dòng)，有利于熔池氣泡逸出而減少焊縫氣孔。T Y Kuo和S L Jeng研究了YAG 激光焊接激光功率輸出方式，對SUS 304L不銹鋼和inconel 690高溫合金焊縫氣孔及性能的影響結(jié)果表明：對于方波脈沖激光焊接來說，當(dāng)基值功率為1700w時(shí)，隨著脈沖幅值ΔP的增加，焊縫氣孔減少，其中不銹鋼的氣孔率由2.1% 降至0.5%，高溫合金的氣孔率由7.1% 降至 0.5%。

（7）焊后復(fù)合處理技術(shù)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，即使焊前進(jìn)行了嚴(yán)格的表面處理，焊接過程穩(wěn)定性較好，鋁合金激光焊接也會(huì)不可避免地產(chǎn)生焊縫氣孔，因此利用焊后處理消除氣孔的方法是很重要的。該方法目前主要是修飾焊。熱等靜壓技術(shù)是鋁合金鑄件消除內(nèi)部氣孔和縮松的方法之一，將其與鋁合金激光焊后應(yīng)力熱處理結(jié)合，形成鋁合金激光焊接構(gòu)件熱等靜壓與熱處理組成復(fù)合工藝，既消除焊縫氣孔，又改善接頭性能。

結(jié)束語

由于激光深熔焊接本身的優(yōu)點(diǎn)，使激光焊接鋁合金在國外受到了廣泛地關(guān)注，并已成為航空航天、車輛、艦船等載運(yùn)工具結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的重要研發(fā)方向，尤其是光纖激光與Disc激光等新型高亮度大功率基礎(chǔ)的發(fā)展，進(jìn)一步拓展了鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用前景。但是，由于鋁合金特性，大功率激光焊接應(yīng)用還存在許多問題有待深入研究，其主要問題就是控制焊縫氣孔缺陷，提高焊接質(zhì)量。鋁合金激光焊縫氣孔工程化控制應(yīng)綜合考慮焊接前、焊接過程、焊接后處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而提高焊接過程穩(wěn)定性。由此已衍生出很多新技術(shù)新工藝，如焊前激光清理、焊接工藝參數(shù)背寬比控制優(yōu)化、雙光束激光焊、激光電弧復(fù)合焊、脈沖激光焊和光纖激光焊接等。