淺析鋁合金激光焊接工藝

王金虎

摘 要：鋁合金是工業(yè)生產(chǎn)中的一種重要的輕金屬材料。相對(duì)于鋁合金的傳統(tǒng)焊接工藝，激光焊接工藝具有諸多優(yōu)勢(shì)。激光是一種高能量密度熱源，具有較快的焊接速度和較小的熱輸入，使焊焊接件變形較小，生產(chǎn)質(zhì)量較為優(yōu)異。

關(guān)鍵詞：鋁合金；激光焊接工藝

鋁合金具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、高速列車(chē)和汽車(chē)制造等行業(yè)，是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的輕金屬材料。在飛機(jī)、船舶和汽車(chē)等運(yùn)載工具制造業(yè)中，為了減輕其自重，提高運(yùn)載能力，鋁合金作為薄壁結(jié)構(gòu)的使用率越來(lái)越高。但是，鋁合金板的連接方式長(zhǎng)期使用落后的鉚接工藝。這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的焰焊工藝具有諸多弊端。由于鋁合金對(duì)激光具有高反射性，激光焊接鋁合金異常困難，必須采用大功率激光器，并且采取特殊的工藝才能達(dá)到理想的焊接效果。

一、鋁合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外科研工作者們?cè)谛滦图す夂附釉O(shè)備的研發(fā)領(lǐng)域進(jìn)行了堅(jiān)持不懈的研究。同時(shí)焊接工作者們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)諸如激光-電弧復(fù)合焊接、雙光束激光焊接和電流強(qiáng)化C02激光焊接等新型焊接工藝進(jìn)行了研究。兩者共同推進(jìn)了鋁合金激光焊接技術(shù)的進(jìn)步。

1.鋁合金的激光-電弧復(fù)合焊接

激光-電弧復(fù)合焊接是一種高能激光束與電弧共同作用的焊接，可分為激光-等離子體弧復(fù)合焊接、激光-TIG復(fù)合焊接和激光-MIG復(fù)合焊接等多種激光-電弧復(fù)合焊接。在激光-電弧復(fù)合焊接研究初期，主要是利用電弧作為附加熱源來(lái)彌補(bǔ)當(dāng)時(shí)激光器功率不足的缺陷，以焊到更大的焰深。后來(lái)的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，激光-電弧復(fù)合焊接還可以降低金屬在溶化前對(duì)激光的反射率，減少焊接缺陷，提高焊接速度和焊縫質(zhì)量。

2.鋁合金的雙光束激光焊接

雙光束激光焊接是把一束激光分成功率不同的兩束激光或者將兩束激光復(fù)合的激光焊接技術(shù)。兩焦點(diǎn)的分布有平行、成一定角度和垂直等分布方式。單光束激光焊接鋁合金時(shí)，由于匙孔的塌陷，會(huì)發(fā)生飛濺和導(dǎo)致氣孔等缺陷。雙光束激光焊中可以獲得相對(duì)較寬的焊寬和較小的焊縫深寬比，能夠加強(qiáng)鋼孔的穩(wěn)定性，減少氣孔等缺陷的出現(xiàn)。第一束激光對(duì)其產(chǎn)生的鋁池周?chē)匿X合金進(jìn)行預(yù)熱，第二束激光照射此處時(shí)，加之之前積累的能量，能夠溶化更多的鋁合金，形成較寬的溶池，使氣化的金屬蒸氣經(jīng)由較大的空間上浮逸出，減少飛濺現(xiàn)象。另外，由于第二束激光能將第一束激光形成的胡孔的后壁氣化，可以避免鑰孔發(fā)生塌陷，可以減少氣孔等缺陷的出現(xiàn)。

3.鋁合金的電流強(qiáng)化C02激光焊接

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，采用C02激光器進(jìn)行焊接時(shí)，焊接溶池中存在幾安培的固有電流，那么，如果在焊接區(qū)域施加一定的外磁場(chǎng)，就可以影響鋁池的流動(dòng)狀態(tài)。所以，在焊接區(qū)域施加某種形式的外磁場(chǎng)，就有可能改善鋁合金激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，提高焊縫質(zhì)量。

二、鋁合金激光焊接的難點(diǎn)、缺陷及其相應(yīng)的改善措施

激光焊接具有較為突出的優(yōu)勢(shì)，可以使金屬實(shí)現(xiàn)快速而有效的連接。但是，由于鋁合金的固有特性和其他原因，鋁合金激光焊接存在諸多難點(diǎn)和缺陷，需要適當(dāng)?shù)牟扇∪舾筛纳拼胧?，曾能成功?shí)現(xiàn)鋁合金的激光焊接。

由于鋁合金具有高導(dǎo)熱性和對(duì)激光高反射性的特點(diǎn)，使其在未鋁化時(shí)對(duì)激光的吸收較差，效率較低，“小孔”的誘導(dǎo)比較困難。所以，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理措施，來(lái)提高鋁合金對(duì)激光的吸收率。車(chē)加工及傳統(tǒng)加工、電解拋光、噴砂、陽(yáng)極氧化、砂紙打磨、表面化學(xué)浸燭、表面鍍、石墨涂層、空氣爐中氧化等表面預(yù)處理措施均可以提高鋁合金對(duì)激光的吸收率。另外，通過(guò)調(diào)整激光器參數(shù)和合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)等措施也可以提高鋁合金對(duì)激光的吸收率。比如，可以選用低階模輸出和短焦距透鏡，增大激光功率密度，減小光斑尺寸，提高鋁合金對(duì)激光的吸收率。還可以將工件坡口設(shè)計(jì)成具有一定的傾斜角度，使焊激光束可以在空隙中實(shí)現(xiàn)多次反射，形成一個(gè)人工的“小孔”，從而提高鋁合金對(duì)激光束的吸收率。

氣體不易析出，易產(chǎn)生氣孔。當(dāng)鋁合金被激光束照射并加熱到溶化狀態(tài)時(shí)，鋁合金吸附的部分氣體在被釋放出來(lái)，在溶融金屬中的溶解度增大，由于激光焊接焊縫的冷卻速度較快，使焊溶池的存在時(shí)間較短，溶解的氣體來(lái)不及從溶融的鋁合金中上浮逸出，于是在焊縫中間和表面形成氣孔，嚴(yán)重影響焊接接頭的力學(xué)性能和氣密性。為了減少氣孔生成，可以釆取的措施有：a.選擇合適的表面處理措施，切斷形成氣孔的氣體來(lái)源。b.采用合理的工藝參數(shù)，使焊溶融金屬中溶解的金屬盡快上浮逸出。c.釆用合適的保護(hù)氣體和合理的氣體保護(hù)方式，加強(qiáng)激光焊接的氣體保護(hù)。

由于激光焊接溶池的冷卻和凝固速度較快，鋁合金屬于典型的共晶合金，所以，鋁合金激光焊接時(shí)更容易產(chǎn)生熱裂紋。激光-電弧復(fù)合焊接、激光填絲焊接、激光填粉焊接等新型激光焊接均可以有效減少激光焊接時(shí)熱裂紋的產(chǎn)生。另外，如果采用脈沖激光焊接時(shí)，合理優(yōu)化脈沖波形，以控制熱輸入量，也可以減少熱裂紋的產(chǎn)生。激光焊接過(guò)程中，鎂和鋅等低焰點(diǎn)元素容易被燒損，破壞了原來(lái)的合金強(qiáng)化作用，使得焊接接頭的力學(xué)性能降低。可以釆取激光填粉焊接，補(bǔ)充焊接過(guò)程中燒損的鎂和鋅等低溶點(diǎn)元素，恢復(fù)合金原來(lái)的強(qiáng)化作用，提高焊接接頭的力學(xué)性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者致力于克服鋁合金的激光焊接難點(diǎn)，消除鋁合金激光焊接的缺陷，潛心鉆研，不斷推出鋁合金激光焊接的新方法。另外，隨著大功率、高性能激光器的研制成功，鋁合金激光焊接工藝正在飛速發(fā)展。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上，除了以上提到的激光-電弧復(fù)合焊接、雙光束激光焊接和電流強(qiáng)化C02激光焊接，激光填絲焊接、激光填粉焊接、順序電弧激光焊接和激光輔助焊接等新型激光焊接工藝的研究也取得了質(zhì)的飛躍，這在很大程度上解決了鋁合金激光焊接中存在的諸多難點(diǎn)，減少甚至避免了鋁合金激光焊接的缺陷，使得工業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域能夠更加廣泛的使用鋁合金材料，為推動(dòng)裝備制造技術(shù)的飛速發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王承偉，曲仕堯，上新洪等.鋁合金激光焊接的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].金屬加工.2008，8：38-40.

[2] 胡敏英，吳志生.鋁合金激光焊接的工藝特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀[J].鋁加工.2007，4： 36-38.