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，更有效地擴(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、實現(xiàn)復(fù)雜及異種材料整體結(jié)構(gòu)低成本制造方面獨具優(yōu)勢，其中鋁合金激光焊接技術(shù)是倍受關(guān)注的熱點。

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。焊接過程易于集成、自動化、靈活，可實現(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，更有效地擴(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、運行成本低、光束質(zhì)量高、激光功率高等優(yōu)點。

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。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，特別是厚板焊接和不同金屬的焊接，如美國NALI民機(jī)和項目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)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)。

鋁合金激光焊接的特點

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)鋁合金熔點低，液體流動性好，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動，其直徑和深度受等離子體/金屬蒸汽的影響而波動。隨著光束的運動和熔池金屬的流動，由于熔池金屬的流動，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而遷移和滾動，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，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化程度。

參數(shù)穩(wěn)定性控制

表面焊接時，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

雙光點激光焊接

雙聚焦激光焊接是指兩束聚焦激光束同時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)采用雙光點激光焊接時，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，有利于材料對激光能量的吸收和小孔的穩(wěn)定性。對鋁合金激光電弧復(fù)合焊接焊縫研究結(jié)果也證實了其效果。

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，也可以獲得無氣孔的焊縫。Allen 等對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。

脈沖激光焊接

與連續(xù)激光焊接相比，脈動輸出可促進(jìn)熔池循環(huán)穩(wěn)定流動，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，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。