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(shì)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(shì)，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(guò)程易于集成、自動(dòng)化、靈活，可實(shí)現(xiàn)高速高精度焊接，無(wú)真空環(huán)境，無(wú)焊接過(guò)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(guó)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(duì)鋁合金激光焊接技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，鋁合金的多樣性也帶來(lái)了各種激光焊接新問(wèn)題，必須深入研究這些問(wèn)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(lái)，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(lái)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)AA6082鋁合金激光焊接對(duì)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(guó)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(guó)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(lái)，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(lái)越成熟，國(guó)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(guó)德國(guó)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(wèn)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(guó)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視鋁合金激光焊接技術(shù)的研究。英國(guó)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(guò)10年的合作，經(jīng)過(guò)10年的努力，2003年在德國(guó)和法國(guó)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(lái)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(zhǎng)度將達(dá)到1萬(wàn)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(guó)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(duì)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(guò)程中的熔池行為，較終體現(xiàn)在焊縫的成形特性上。通過(guò)焊縫成形特性參數(shù)的背寬比，可以評(píng)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(guò)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(duì)激光能量的吸收，導(dǎo)致深熔焊接過(guò)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(wèn)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(wèn)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(guò)激光填充線焊接或激光電弧復(fù)合焊接來(lái)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(guò)程中固有的小孔波動(dòng)不穩(wěn)定引起的。在激光深熔焊過(guò)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(guò)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(lái)，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(guò)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(píng)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(guò)程。焊縫孔形成的主要原因之一是激光深熔焊接過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)程中，電弧影響激光過(guò)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(guò)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(duì)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(zhǎng)，抑制了飛濺，小孔波動(dòng)穩(wěn)定，小孔尖端無(wú)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(wú)氣孔的焊縫。Allen 等對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)于方波脈沖激光焊接來(lái)說(shuō)，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(guò)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(yǔ)

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(guó)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(wèn)題有待深入研究，其主要問(wèn)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(guò)程、焊接后處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而提高焊接過(guò)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。