隨著激光技術(shù)和鋁合金開發(fā)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?cái)U(kuò)大鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力，了解鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)尤為重要。

高強(qiáng)鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，良好的耐腐蝕性能、加工性能和力學(xué)性能 已成為航空航天、艦船等載運(yùn)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輕量化制造不可或缺的金屬材料，其中飛機(jī)應(yīng)用較多。焊接技術(shù)在提高結(jié)構(gòu)材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜及異種材料整體結(jié)構(gòu)低成本制造方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，其中鋁合金激光焊接技術(shù)是倍受關(guān)注的熱點(diǎn)。

與其他焊接方法相比，激光焊具有加熱集中、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，特別適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度焊接。

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，各種強(qiáng)高韌鋁合金，特別是第三代鋁鋰合金、新型高強(qiáng)鋁合金，對(duì)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。

CO2氣體激光

工作介質(zhì)為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。CO2雖然激光輸出功率已經(jīng)達(dá)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。

YAG固體激光

輸出波長為紅寶石、釹玻璃釹鋁石榴石等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，是目前鋁合金結(jié)構(gòu)焊接的主要激光器。

YLR光纖激光

是2002年以后發(fā)展起來的新型激光器，以光纖為基質(zhì)材料，與不同稀土離子混合，輸出波長范圍在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 與激光相比，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、激光功率高等優(yōu)點(diǎn)。

研究鋁合金激光焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

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)注激光焊接在各領(lǐng)域鋁合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。 目前，我國一些汽車制造商已經(jīng)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，激光焊接將在未來的裝甲車結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)輕量化制造，鋁合金三明治結(jié)構(gòu)在船舶和高速列車結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用和研究是目前的研究熱點(diǎn)。鋁合金是航空航天結(jié)構(gòu)的重要金屬結(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。

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)，特別是厚板焊接和不同金屬的焊接，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，總結(jié)如下：

激光聚焦光斑直徑小，工件焊接裝配精度要求高。通常，裝配間隙和錯(cuò)邊量應(yīng)小于0.1mm或10%的板厚增加了復(fù)雜三維焊縫焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)施難度；

(2)由于室溫條件下鋁合金激光的反射率高達(dá)90%，因此鋁合金激光深熔焊需要激光具有較高的功率。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。

(3)鋁合金熔點(diǎn)低，液體流動(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/ 光等離子體影響鋁合金對(duì)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、表面塌陷、咬邊等缺陷；

（4）激光焊接加熱冷卻硬度高于電弧，但由于鋁合金激光焊接合金元素燃燒，影響合金強(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，通過激光填充線焊接或激光電弧復(fù)合焊接可以改善表面坍塌和咬邊缺陷；焊縫氣孔缺陷難以控制。

目前的研究結(jié)果表明，鋁合金激光深熔焊有兩種特征孔，一種是冶金孔，與電弧熔焊一樣，材料污染或空氣侵入引起的氫孔；另一種是工藝孔，是由激光深熔焊固有孔不穩(wěn)定波動(dòng)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的運(yùn)動(dòng)，其直徑和深度受等離子體/金屬蒸汽的影響而波動(dòng)。隨著光束的運(yùn)動(dòng)和熔池金屬的流動(dòng)，由于熔池金屬的流動(dòng)，氣泡出現(xiàn)在小孔的尖端，而完全熔化的深熔焊接則出現(xiàn)在小孔中部的腰部。氣泡隨著液體金屬的流動(dòng)而遷移和滾動(dòng)，或從熔池表面逃逸，或被推回小孔。當(dāng)氣泡被熔池固化并被金屬*捕獲時(shí)，它就變成了焊縫孔。

表面處理主要由焊接前表面處理控制和合理的氣體保護(hù)控制，工藝孔的關(guān)鍵是確保激光深熔焊工藝孔的穩(wěn)定性。根據(jù)國內(nèi)激光焊接技術(shù)的研究，鋁合金激光深熔焊孔的控制應(yīng)綜合考慮焊接前、焊接工藝和焊接后處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，總結(jié)為以下新工藝和新技術(shù)。

焊前處理方法

前表面處理是控制鋁合金焊縫冶金孔的有效方法。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，激光沖擊清洗也出現(xiàn)了，這將進(jìn)一步提高激光焊接的自動(dòng)化程度。

參數(shù)穩(wěn)定性控制

表面焊接時(shí)，表面焊接的數(shù)量通常包括激光功率、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過程的穩(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)而影響焊響焊縫形成，導(dǎo)致焊縫孔缺陷，激光深熔化焊接穩(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)是有效控制合金焊縫孔的有效措施。研究表面焊接的穩(wěn)定性

雙光點(diǎn)激光焊接

雙聚焦激光焊接是指兩束聚焦激光束同時(shí)作用于同一熔池的焊接過程。在激光深熔過程中，焊縫孔形成的主要原因之一是立即關(guān)閉熔池中的氣體。當(dāng)采用雙光點(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)部金屬蒸汽的逃逸和小孔的穩(wěn)定性，從而減少焊接孔。A356、AA5083、2024 和5A90鋁合金激光焊接的研究表明，雙光點(diǎn)激光焊接可顯著降低焊縫氣孔。

焊接激光電弧

激光電弧復(fù)合焊接是將激光與電弧作用于同一熔池的焊接方法。一般以激光為主要熱源，利用激光與電弧的相互作用，提高激光焊接熔深和焊接速度，降低焊接裝配精度。利用填充焊絲調(diào)控焊接接頭的組織性能，利用電弧的輔助作用改善激光焊接小孔的穩(wěn)定性，從而有利于減少焊縫氣孔。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，有利于材料對(duì)激光能量的吸收和小孔的穩(wěn)定性。對(duì)鋁合金激光電弧復(fù)合焊接焊縫研究結(jié)果也證實(shí)了其效果。

光纖激光焊接

激光深熔焊接過程中的小孔效應(yīng)來自激光下金屬的強(qiáng)蒸發(fā)。金屬蒸發(fā)力與激光功率密度和束流質(zhì)量密切相關(guān)，不僅影響激光焊接的熔深，而且影響小孔的穩(wěn)定性。Seiji. 等對(duì)SUS304不銹鋼大功率光纖激光研究表明，熔池在高速焊接飛濺，孔波動(dòng)穩(wěn)定，孔尖無氣泡。當(dāng)光纖激光用于鈦合金和鋁合金的高速焊接時(shí)，也可以獲得無氣孔的焊縫。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绦袨椋瑥亩鴾p少焊縫氣孔。

脈沖激光焊接

與連續(xù)激光焊接相比，脈動(dòng)輸出可促進(jìn)熔池循環(huán)穩(wěn)定流動(dòng)，有利于熔池氣泡逸出，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模式SUS 304L不銹鋼和inconel 690高溫合金焊縫氣孔和性能的影響表明，對(duì)于方波脈沖激光焊接，當(dāng)基值功率為1700w隨脈沖幅值而來ΔP隨著焊縫氣孔的增加，不銹鋼的氣孔率從2.1% 降至0.5%，高溫合金的氣孔率由7.1% 降至 0.5%。

即使在實(shí)際工程應(yīng)用中，表面處理嚴(yán)格，焊接過程穩(wěn)定性好，鋁合金激光焊接也不可避免地產(chǎn)生焊接孔，因此采用焊接后處理消除孔的方法非常重要。該方法目前主要是修改焊接。熱等靜壓技術(shù)是鋁合金鑄件消除內(nèi)孔和松動(dòng)的方法之一，結(jié)合鋁合金激光焊接后應(yīng)力熱處理，形成鋁合金激光焊接部件熱等靜壓和熱處理，不僅消除焊縫孔，而且提高接頭性能。

由于鋁合金的特點(diǎn)，大功率光焊接的應(yīng)用仍有許多問題需要深入研究。主要問題是控制焊縫孔隙缺陷，提高焊接質(zhì)量。鋁合金激光焊縫孔工程控制應(yīng)綜合考慮焊接前、焊接工藝和焊接后處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，以提高焊接工藝的穩(wěn)定性。因此，有許多新的技術(shù)和工藝，如焊接前激光清洗、焊接工藝參數(shù)寬比控制優(yōu)化、雙光束激光焊接、激光電弧復(fù)合焊接、脈沖激光焊接和光纖激光焊接。