浅论铝合金激光焊接技术的应用与发展

张治军

摘要：本文论述了铝合金激光焊接技术的应用与发展，为铝合金激光焊接技术的应用走可持续发展的道路提供了一定的见解。

关键词：铝合金激光焊接技术，应用与发展

一、引言

铝合金作为飞机结构的理想材料具有低密度，高比强度和高比刚度，耐腐蚀性能好，抗疲劳性能较高以及低廉的成本、易于加工等一系列优点，加之新型铝合金包括铝锂合金在飞机上的应用，以及传统铝合金新的热处理状态不断出现，使得目前铝合金在飞机上的用量仍约占50%-80%。显而易见，铝合金在飞机结构中的应用仍占有巨大的优势。

二、对铝合金激光焊接技术的应用现状的分析与认识

（一）工艺特性及研究现状

1. 焊缝成形及其影响因素

（1）光束反射与焊前表面处理

进行铝激光焊接，首先碰到同时也是最难解决的问题就是铝对入射光束的强烈反射。研究表明，

对CO2激光和YAG激光，铝表面在室温时的初始反射率都在90%以上，即远远高于钢等黑色金属。因

此，要想有效地对铝进行激光焊接，就必须采取适应的表面预处理措施来降低反射，以改善吸收。

（2）合金元素蒸发与激光等离子体

和钢相比，由于铝的电离能低（Ef=6 eV），又含有大量的Mg、Zn、Li等低沸点元素，因此铝激光焊接时、合金元素的蒸发和等离子体的产生都比钢更为剧烈，而且对焊缝成形影响很大。研究表明，合金元素Mg、Zn等的过量蒸发烧损，将导致焊缝表面下凹。

（3）材料性能

铝合金材料的表面张力、粘度、热传导率等物理胜能对其激光焊接时的熔化特性和焊缝成形影响很

大。经研究指出，较低的液体金属粘度和热传导率有利于增大熔深；而较小的表面张力，一方面有利于金属蒸汽产生和选出而在其反作用力的作用下加大熔深；另一方面又会导致液体金属容易溅出熔池，而造成焊缝表面下凹。

（4）焊接工艺参数

铝激光捍接的工艺参数主要有：激光功率、透镜焦距、焦点位置、焊接位置、焊接速度、保护气体种类及流量等。其直接决定着焊缝成形。

激光功率：激光功率是决定得缝熔深的主要因素。研究表明，铝对入射光束的能量吸收在室温时最低，而在处

于熔化状志时却很高，因此其存在着一个临界入射光柬能量密度值（约为l06w/cm2 ），在透镜焦距、焦点

位置等其它参数一定的情况下，亦即存在着一个临界激光功率值。

焦点位置：熔深随焦点位置的变化有一十跳跃性变化过程。当焦点处于偏离工件表面较大（≥±2 mm）的位置时，工件表面光斑尺寸较大。因此，光束能量密度较低，属于传热熔化焊，而且熔深较浅。而当焦点靠近工件表面某一位置（±2 mm）時，工件表面人射光束能量密度值增大到临界值，而产生小孔效应。因此，其熔深发生跳跃性增加。当焦点位置在工件表面上方l mm处时焊缝熔深最大。

透镜焦距：由公式d=f·θ可知，焦距愈小，光斑直径d就愈大，由于在同等功率下，焦点处的能量密度值就越

大，因此其有利于小孔效应的形成和熔深的提高。

2.焊接裂纹

热裂纹的产生是铝合金激光焊接时最常见的缺陷。其主要是焊缝结晶裂纹和HAZ液化裂纹。防止热裂纹的产生是铝合金激光焊接的关键技术之一。

3.气孔

气孔是铝激光焊接时的主要缺陷之一。经研究表明，材料表面状态、保护气体种类、流量及保护方法、焊接参数和焊缝形状都影响气孔的产生。其应当选择合适的表面处理措施，以加强保护和采用高功率、高速度、大离焦量（负值）焊接时可以使气孔的产生降低到最少。

（二）高强铝合金T型接头激光焊接存在的问题

1.铝合金激光焊接优点和存在的问题

由于铝及其合金对激光的高反射率以及自身的高热导性，因此激光焊接铝合金一直是存在诸多的问题：

（1）铝及其合金对激光的反射率很高（对CO2激光超过90%，对YAG激光接近80%），造成激光在母材未熔化时吸收率很差，效率很低；

（2）由于激光焊接熔池深而窄，脉冲激光突发功率大，强大的蒸气通过很窄的熔池时会产生较大的飞溅；

（3）激光焊接焊缝热输入小，冷却速度快，熔池存在时间很短，熔池内气体不易析出，易产生气孔；

（4）激光焊接对接头间隙要求严格，自熔焊所允许的间隙量最大不超过母材厚度的10%；

2.T型接头激光焊接存在的问题

采用激光焊接T型接头，由于其自身结构的特点还会带来一些突出的问题，即主要表现在变形、气孔、裂纹和焊缝成形的困难，因此在无拘束或者接头优化的情况下，T型接头焊接时容易出现以下情况：

①底板两侧出现向上翘起的变形；

②由于不能实现两条角焊缝的同步焊接，筋板容易出现弯曲变形且向焊缝一侧倾斜；

③焊接时激光光束要与筋板成一定倾角，这样在焊接过程中，由于熔池熔液受重力作用，更容易形成小孔的塌陷闭合，并且也很不利于小孔内气体的上浮排除，因此，T型接头激光焊接小孔倾向相对较大；

由于采用单侧依次双面焊，T型接头的两条角焊缝不能同时施焊，因此在焊接第一条角焊缝时，还会涉及另一条角焊缝的保护问题。在这种情况下，受第一条角焊缝热源影响，第二条角焊缝在两板端面接触位置将会出现氧化夹杂，从而导致第二条角焊缝出现焊接过程的不稳定。其甚至出现气孔，并引起裂纹。

三、结论

铝合金激光焊接技术是近十几年来发展起来的一项新技术。与传统焊接方法相比，激光焊具有热输入小、能量密度高、热影响区窄而熔深大、热变形小、接头性能好及易于控制等优点，因而日益得到广泛应用。但是由于铝合金具有良好的导热性，对激光束的极高初始反射率及焊接过程中产生的等离子体对激光束的屏蔽作用，使得工件吸收光束能量困难，焊接过程不稳定，同时还易产生裂纹、气孔等缺陷。上述难题的解决很大程度上取决于高功率激光的光束质量。但是在一般情况下，通过采用合理的工艺措施，也可实现对铝合金的有效焊接。近年来，随著大功率、高性能激光加工装备的不断研制开发，在日本、美国、英国、德国等发达国家，铝激光焊接技术发展很快。铝激光焊接技术是未来铝焊接技术的主要发展方向之一。

参考文献：

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[2] 朱宏等.铝及铝合金激光焊接技术的研究现状[J].电子工艺技术.1997（04）：129-132；