鋁合金激光焊接工藝及其應(yīng)用

武亞鵬

庫珀（天津）科技有限公司 天津 301700

1 序言

鋁合金具有材質(zhì)輕、耐腐蝕、耐低溫、力學性能好等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、汽車、船舶、化工等眾多工業(yè)制造領(lǐng)域。近幾年，隨著國家對環(huán)保、節(jié)能、減排的宏觀經(jīng)濟體制改革，對鋁合金材料有了很大的需求量，尤其是高強度的鋁合金材料有著高剛度、高耐蝕性、優(yōu)良加工性、高力學性等，逐漸成為各領(lǐng)域制造業(yè)輕量化應(yīng)用不可缺少的重要材料。目前，鋁合金的焊接方法主要有TIG焊、MIG焊、攪拌摩擦焊、激光焊等。

激光焊接具有能量高、熱源集中、熱損小、變形小、焊縫深寬比大等優(yōu)點，并且在焊接過程中便于形成集成化、自動化、柔性化的生產(chǎn)優(yōu)勢，滿足高速、高精度的焊接，焊接時無需真空作業(yè)環(huán)境，非常適合在惡劣的環(huán)境下對復雜的結(jié)構(gòu)件實施高精度的焊接[1]。因此，研究鋁合金激光焊接工藝及其應(yīng)用具有非常重要的意義。

2 鋁合金的熔焊工藝分析

（1）焊前準備 鋁合金的焊前準備非常關(guān)鍵，否則會對鋁合金的焊接質(zhì)量造成很大的影響。焊前要對鋁合金的表面用酒精或丙酮擦拭清理，清除工件表面的水、油等污染性的雜質(zhì)。如被氧化了的鋁合金工件，需要對工件進行清理打磨或化學試劑處理并吹干，再及時完成焊接。

鋁合金焊接時要加快熔池的流動性，可在焊件背面墊銅板以提高焊縫的成形質(zhì)量。

（2）常規(guī)熔化焊 鋁合金常規(guī)的熔化焊方法有TIG焊（見圖1）、MIG焊等，焊接時，采用氬氣作為保護氣來隔絕空氣，實現(xiàn)減少或避免焊縫產(chǎn)生氣孔。

常規(guī)熔化焊存在著以下問題。

1）焊接時會輸入大量的熱源，導致焊縫寬且熔深較淺。

2）鋁合金冶金速度快，導致焊縫組織晶粒粗大，焊接接頭軟化可使強度減少40%左右。

3）鋁合金熔點低而導熱快，熔融金屬流動性差而使焊縫成形不美觀。

4）焊接時受熱面積大，加工材料容易變形而影響加工尺寸精度。

圖1 鋁合金氬弧焊焊縫

5）鋁合金常規(guī)焊接質(zhì)量保障難度大，焊接速度難以滿足批量生產(chǎn)的需求。

（3）激光焊接 激光焊接鋁合金的優(yōu)勢尤為突出，焊接時熱輸入小且熱源集中，尤其是光纖激光焊接鋁合金時的能量更加集中，激光波長更短，高反射得到明顯的改善[2]。

通過光纖激光焊、雙光斑激光焊、激光填絲焊等焊接工藝，可大大提升鋁合金的焊接質(zhì)量及焊后效果，如圖2所示。

圖2 鋁合金激光焊焊縫

1）光纖激光焊。光纖激光焊接鋁合金時，存在高反射現(xiàn)象，影響材料對激光能量的吸收，波長短，材料對光的吸收就好，因此光纖激光焊對鋁合金的吸收好，光束模式保證了能量密度的高度集中，保證了焊接質(zhì)量。

2）雙光斑激光焊。焊接時，雙光束可以形成一個較大的匙孔，這樣可以保證焊接時的穩(wěn)定，有效促進氣體的排出。采用并行雙光束激光焊接的優(yōu)點如下：①熔池內(nèi)部溫度相差小，可以降低金屬熔液的凝固速度，這樣就加長了氣泡的逸出時間，減少了氣孔的形成，大大降低了焊縫的氣孔率。②能夠提高送絲的穩(wěn)定性，保障了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3）激光填絲焊。相比激光自熔焊鋁合金，能夠得到更好的成形。激光填絲焊能夠兼容激光焊的高能量密度和填絲焊的高橋接能力，對于有一定間隙的焊縫，能夠保證良好的成形效果。而且通過不同的填充材料的選擇，可以對母材進行不同的化學反應(yīng)，起到一定合金元素補充且強化的功效。采用激光復合焊，通過激光與電弧的復合，能夠有效消除激光焊形成的等離子體的影響。通過光絲間距、吹氣、焊槍角度等參數(shù)的調(diào)節(jié)，能夠獲得美觀的焊縫，而且對于厚板無需開坡口或只需開小坡口就可以形成良好的焊縫。

3 激光焊接鋁合金的特點

（1）功率大的激光頭 能夠穩(wěn)定焊接質(zhì)量，隨著激光加工的深入開發(fā)，功能越來越強大的激光頭得到快速的應(yīng)用。由Scansonic和High YAG所研制的激光頭，能夠在一定范圍內(nèi)上下左右浮動而不改變光斑大小，也不影響光絲配合，非常利于大批量的生產(chǎn)應(yīng)用，能改善材料由于加工產(chǎn)生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。

（2）合適的焊接參數(shù) 合理的焊接參數(shù)能夠很好地保證焊接質(zhì)量。要獲得穩(wěn)定的焊縫成形，需要匹配合適的焊接參數(shù)。

1）當給定的每一個激光功率數(shù)值時，都會有一個合理的焊接速度相匹配，焊接速度可以在設(shè)定的范圍內(nèi)進行調(diào)整，同樣可以實現(xiàn)成形質(zhì)量很好的焊縫，此區(qū)域定義為焊接穩(wěn)定區(qū)。

2）當在一個功率數(shù)值時，焊接速度過快，輸入的熱量變小，導致鋁合金材料不能熔透，這時已超過穩(wěn)定區(qū)的范圍，此區(qū)域定義為未熔透區(qū)。

3）當在一個功率數(shù)值時，焊接速度過慢，輸入的熱量過大，熔池下塌嚴重，此區(qū)域定義為熔池坍塌區(qū)。

（3）高要求的裝配精度 因為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、激光聚焦光斑直徑細小等特點，所以導致工件的組對精度要求較高，一般組對間隙和錯邊量都必須小于0.1mm或板厚的0.1t，這樣大大增加了焊接的操作難度。

（4）易產(chǎn)生焊接缺陷 由于鋁合金熔點低，金屬液流動性好，因此在大功率激光的作用下會使金屬氣化。焊接過程中伴隨小孔效應(yīng)所形成的金屬蒸氣影響鋁合金對激光能量的吸收，這樣會出現(xiàn)焊接過程不穩(wěn)定，焊縫容易產(chǎn)生氣孔、表面塌陷、咬邊等焊接缺陷。

焊縫產(chǎn)生表面塌陷、咬邊等缺陷可以通過激光填絲焊接或激光電弧復合焊來實現(xiàn)改善，但是氣孔缺陷控制難度比較大。

（5）焊接接頭強度的影響 由于激光焊接的加熱和冷卻速度快、焊縫硬度高、鋁合金激光焊接存在合金元素燒損，因此影響鋁合金的強化作用，導致鋁合金焊縫存在軟化現(xiàn)象，這樣就降低了鋁合金焊接接頭的強度。

4 鋁合金激光焊接的應(yīng)用[3]

4.1 石油管道

1）鋁合金石油管道能夠有效增加管道的直徑及管壁的厚度，使管道在額定的時間里輸送更多的油量。管道輸送石油非常危險，容易發(fā)生泄漏現(xiàn)象，一旦發(fā)生泄露可能會造成不可估量的財產(chǎn)損失、人員傷亡、環(huán)境污染、水源污染等重大危害。

2）鋁合金管道焊接時，提升焊接質(zhì)量、避免焊接缺陷是關(guān)鍵。

3）激光焊接鋁合金管道可以產(chǎn)生非常大的效益，同時可以有效地控制焊接質(zhì)量。焊接時可以保證焊縫一次成形且焊接質(zhì)量比較高，這樣可以避免由于焊縫缺陷導致石油泄漏危害，如圖3所示。

圖3 激光焊接鋁合金石油管道

4.2 汽車制造

1）近年來，汽車制造業(yè)不斷挖掘耐用材料及工藝技術(shù)的應(yīng)用來提升產(chǎn)品的整體質(zhì)量。其中把激光焊接技術(shù)應(yīng)用到汽車制造中，實現(xiàn)了鋁合金材料的焊接應(yīng)用，有效減輕了自身重量、減少了工序、提高了生產(chǎn)效率，受到了各汽車制造商的好評。

2）通過激光焊接鋁合金技術(shù)在汽車制造過程中的廣泛應(yīng)用，有效地推廣了鋁合金材料的應(yīng)用范圍，如圖4所示。

圖4 激光焊接鋁合金汽車骨架

4.3 航空航天

1）航空航天產(chǎn)品對材料的使用更是嚴格要求，需要保證材料的高精度、耐熱性、穩(wěn)定性、持久性。鋁合金的產(chǎn)品可以有效地降低制造成本、減輕自身重量。

2）激光焊接鋁合金材料技術(shù)的大力應(yīng)用，為提高航空航天事業(yè) 的制造水平提供了先進工藝[4]。

5 結(jié)束語

1）鋁合金是發(fā)展過程中應(yīng)用范圍越來越廣的材料，如何不斷提高鋁合金材料的應(yīng)用范圍及利用率，是目前各行各業(yè)研究的重心。

2）激光焊接作為一種新興的焊接技術(shù)，能夠有效地解決焊接氣孔的缺陷，通過不斷拓寬激光焊接在鋁合金材料中的應(yīng)用，會發(fā)揮更大的作用。

3）隨著激光焊接技術(shù)和鋁合金材料技術(shù)的發(fā)展，需進一步對激光焊接鋁合金技術(shù)的研究及開發(fā)新的工藝，有效地挖掘激光焊接鋁合金材料的潛能。

4）由于鋁合金材料的特性，大功率激光焊接時還有很多課題需要研究，其中控制焊縫成形后的氣孔缺陷就是不斷提升鋁合金焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。