淺論鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

張治軍

摘要：本文論述了鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，為鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用走可持續(xù)發(fā)展的道路提供了一定的見(jiàn)解。

關(guān)鍵詞：鋁合金激光焊接技術(shù)，應(yīng)用與發(fā)展

一、引言

鋁合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的理想材料具有低密度，高比強(qiáng)度和高比剛度，耐腐蝕性能好，抗疲勞性能較高以及低廉的成本、易于加工等一系列優(yōu)點(diǎn)，加之新型鋁合金包括鋁鋰合金在飛機(jī)上的應(yīng)用，以及傳統(tǒng)鋁合金新的熱處理狀態(tài)不斷出現(xiàn)，使得目前鋁合金在飛機(jī)上的用量仍約占50%-80%。顯而易見(jiàn)，鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用仍占有巨大的優(yōu)勢(shì)。

二、對(duì)鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀的分析與認(rèn)識(shí)

（一）工藝特性及研究現(xiàn)狀

1. 焊縫成形及其影響因素

（1）光束反射與焊前表面處理

進(jìn)行鋁激光焊接，首先碰到同時(shí)也是最難解決的問(wèn)題就是鋁對(duì)入射光束的強(qiáng)烈反射。研究表明，

對(duì)CO2激光和YAG激光，鋁表面在室溫時(shí)的初始反射率都在90%以上，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼等黑色金屬。因

此，要想有效地對(duì)鋁進(jìn)行激光焊接，就必須采取適應(yīng)的表面預(yù)處理措施來(lái)降低反射，以改善吸收。

（2）合金元素蒸發(fā)與激光等離子體

和鋼相比，由于鋁的電離能低（Ef=6 eV），又含有大量的Mg、Zn、Li等低沸點(diǎn)元素，因此鋁激光焊接時(shí)、合金元素的蒸發(fā)和等離子體的產(chǎn)生都比鋼更為劇烈，而且對(duì)焊縫成形影響很大。研究表明，合金元素Mg、Zn等的過(guò)量蒸發(fā)燒損，將導(dǎo)致焊縫表面下凹。

（3）材料性能

鋁合金材料的表面張力、粘度、熱傳導(dǎo)率等物理勝能對(duì)其激光焊接時(shí)的熔化特性和焊縫成形影響很

大。經(jīng)研究指出，較低的液體金屬粘度和熱傳導(dǎo)率有利于增大熔深；而較小的表面張力，一方面有利于金屬蒸汽產(chǎn)生和選出而在其反作用力的作用下加大熔深；另一方面又會(huì)導(dǎo)致液體金屬容易濺出熔池，而造成焊縫表面下凹。

（4）焊接工藝參數(shù)

鋁激光捍接的工藝參數(shù)主要有：激光功率、透鏡焦距、焦點(diǎn)位置、焊接位置、焊接速度、保護(hù)氣體種類及流量等。其直接決定著焊縫成形。

激光功率：激光功率是決定得縫熔深的主要因素。研究表明，鋁對(duì)入射光束的能量吸收在室溫時(shí)最低，而在處

于熔化狀志時(shí)卻很高，因此其存在著一個(gè)臨界入射光柬能量密度值（約為l06w/cm2 ），在透鏡焦距、焦點(diǎn)

位置等其它參數(shù)一定的情況下，亦即存在著一個(gè)臨界激光功率值。

焦點(diǎn)位置：熔深隨焦點(diǎn)位置的變化有一十跳躍性變化過(guò)程。當(dāng)焦點(diǎn)處于偏離工件表面較大（≥±2 mm）的位置時(shí)，工件表面光斑尺寸較大。因此，光束能量密度較低，屬于傳熱熔化焊，而且熔深較淺。而當(dāng)焦點(diǎn)靠近工件表面某一位置（±2 mm）時(shí)，工件表面人射光束能量密度值增大到臨界值，而產(chǎn)生小孔效應(yīng)。因此，其熔深發(fā)生跳躍性增加。當(dāng)焦點(diǎn)位置在工件表面上方l mm處時(shí)焊縫熔深最大。

透鏡焦距：由公式d=f·θ可知，焦距愈小，光斑直徑d就愈大，由于在同等功率下，焦點(diǎn)處的能量密度值就越

大，因此其有利于小孔效應(yīng)的形成和熔深的提高。

2.焊接裂紋

熱裂紋的產(chǎn)生是鋁合金激光焊接時(shí)最常見(jiàn)的缺陷。其主要是焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋。防止熱裂紋的產(chǎn)生是鋁合金激光焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.氣孔

氣孔是鋁激光焊接時(shí)的主要缺陷之一。經(jīng)研究表明，材料表面狀態(tài)、保護(hù)氣體種類、流量及保護(hù)方法、焊接參數(shù)和焊縫形狀都影響氣孔的產(chǎn)生。其應(yīng)當(dāng)選擇合適的表面處理措施，以加強(qiáng)保護(hù)和采用高功率、高速度、大離焦量（負(fù)值）焊接時(shí)可以使氣孔的產(chǎn)生降低到最少。

（二）高強(qiáng)鋁合金T型接頭激光焊接存在的問(wèn)題

1.鋁合金激光焊接優(yōu)點(diǎn)和存在的問(wèn)題

由于鋁及其合金對(duì)激光的高反射率以及自身的高熱導(dǎo)性，因此激光焊接鋁合金一直是存在諸多的問(wèn)題：

（1）鋁及其合金對(duì)激光的反射率很高（對(duì)CO2激光超過(guò)90%，對(duì)YAG激光接近80%），造成激光在母材未熔化時(shí)吸收率很差，效率很低；

（2）由于激光焊接熔池深而窄，脈沖激光突發(fā)功率大，強(qiáng)大的蒸氣通過(guò)很窄的熔池時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的飛濺；

（3）激光焊接焊縫熱輸入小，冷卻速度快，熔池存在時(shí)間很短，熔池內(nèi)氣體不易析出，易產(chǎn)生氣孔；

（4）激光焊接對(duì)接頭間隙要求嚴(yán)格，自熔焊所允許的間隙量最大不超過(guò)母材厚度的10%；

2.T型接頭激光焊接存在的問(wèn)題

采用激光焊接T型接頭，由于其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)還會(huì)帶來(lái)一些突出的問(wèn)題，即主要表現(xiàn)在變形、氣孔、裂紋和焊縫成形的困難，因此在無(wú)拘束或者接頭優(yōu)化的情況下，T型接頭焊接時(shí)容易出現(xiàn)以下情況：

①底板兩側(cè)出現(xiàn)向上翹起的變形；

②由于不能實(shí)現(xiàn)兩條角焊縫的同步焊接，筋板容易出現(xiàn)彎曲變形且向焊縫一側(cè)傾斜；

③焊接時(shí)激光光束要與筋板成一定傾角，這樣在焊接過(guò)程中，由于熔池熔液受重力作用，更容易形成小孔的塌陷閉合，并且也很不利于小孔內(nèi)氣體的上浮排除，因此，T型接頭激光焊接小孔傾向相對(duì)較大；

由于采用單側(cè)依次雙面焊，T型接頭的兩條角焊縫不能同時(shí)施焊，因此在焊接第一條角焊縫時(shí)，還會(huì)涉及另一條角焊縫的保護(hù)問(wèn)題。在這種情況下，受第一條角焊縫熱源影響，第二條角焊縫在兩板端面接觸位置將會(huì)出現(xiàn)氧化夾雜，從而導(dǎo)致第二條角焊縫出現(xiàn)焊接過(guò)程的不穩(wěn)定。其甚至出現(xiàn)氣孔，并引起裂紋。

三、結(jié)論

鋁合金激光焊接技術(shù)是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊具有熱輸入小、能量密度高、熱影響區(qū)窄而熔深大、熱變形小、接頭性能好及易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因而日益得到廣泛應(yīng)用。但是由于鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性，對(duì)激光束的極高初始反射率及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體對(duì)激光束的屏蔽作用，使得工件吸收光束能量困難，焊接過(guò)程不穩(wěn)定，同時(shí)還易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。上述難題的解決很大程度上取決于高功率激光的光束質(zhì)量。但是在一般情況下，通過(guò)采用合理的工藝措施，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金的有效焊接。近年來(lái)，隨著大功率、高性能激光加工裝備的不斷研制開(kāi)發(fā)，在日本、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，鋁激光焊接技術(shù)發(fā)展很快。鋁激光焊接技術(shù)是未來(lái)鋁焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

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