铝合金激光焊接技术研究进展

王永朝

【摘要】：综述铝合金激光焊接技术特点及研究现状，开展3mm厚LF6铝合金激光-MIG电弧复合焊接工艺研究。试验研究表明，激光-MIG电弧复合焊接LF6铝合金可获得良好的焊缝成形，内部质量达到QJ1666A-2011Ⅰ级焊缝质量要求，接头强度达到母材的90%以上，具备较为优异的力学性能。

【关键词】：铝合金激光焊接；激光-电弧复合焊；激光填丝焊

1、铝合金激光焊接技术

1.1铝合金激光自熔焊

对于铝合金激光焊来说，铝合金表面对激光的初始反射率较高，需要较大的激光功率；光斑直径小，工件对中、间隙适应性较差，对焊接工装和光束的精确调整要求较高；焊接过程加热和冷却速度快，加之匙孔效应导致合金元素蒸发，焊接气孔缺陷多；激光能量密度集中，匙孔效应导致合金元素的挥发、烧损严重，易出现焊缝下凹和咬边现象。对于钣金成形的薄壁结构件，由于其成形精度难以精确控制，焊接装配间隙较大，并且不可避免地存在一定的错边，都为激光自熔焊接技术在铝合金薄壁结构件的推广和应用带来了困难。鉴于上述铝合金激光自熔焊特点，激光自熔焊技术一般只用于较薄结构密封焊以及对焊接质量要求不高的情况。

1.2铝合金激光填丝焊

与激光自熔焊相比，激光填丝焊放宽了焊接工艺要求；通过填充不同成分的焊丝，改善焊缝组织力学性能，改变焊缝金属流动特性，改善焊缝成形，抑制气孔、裂纹等缺陷的产生；利用较小功率的激光器来实现厚板窄焊道多层焊；激光填丝的效率与传统的自熔焊差不多，参数选择适当时，大于激光自熔焊的焊接效率。飞机壁板是激光填丝焊接技术最为典型的应用。欧洲空客从20世纪90年代初开始进行铝合金壁板双侧同步激光填丝焊接研究，2000年完成首件A318机身下壁板的激光焊接，2003年开始批量生产应用，目前A318、A340、A380机身下壁板均采用激光焊接。我国正在研制的C919大型客机，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室开展了机身壁板双侧激光同步填丝焊接铝合金T型接头的研究工作，為实现国产大型客机机身壁板的激光焊接提供装备和工艺支撑。

1.3铝合金激光-电弧复合焊

激光-电弧复合焊接技术是20世纪70年代英国帝国理工大学W.Steen教授提出来的一种复合热源焊接方法。激光-电弧复合焊接兼有激光和电弧各自的优势，又弥补了各自的不足之处，其特点如下：电弧的加热延长了单激光焊接的凝固速度快的问题，有利于减少气孔、裂纹缺陷，电弧焊丝作用可改善焊缝冶金，提高激光对间隙、错变的工艺适应能力。因此，激光-MIG电弧复合焊接技术是实现铝合金薄壁结构件的高效、高适应性、优质焊接的最佳方法之一。

1.4铝合金激光-电弧双面焊接技术

采用激光-电弧复合焊接（即一般意义上的同侧复合焊接）铝合金，由于激光需穿过电弧后才能作用于工件，电弧等离子体对激光的吸收、散焦以及折射作用不可避免地造成激光能量的损耗。为此，某工业大学博士提出了激光-TIG电弧双面焊接铝合金技术，研究表明根据激光与电弧热输入的不同，呈现3种典型接头形状：小束腰“X”型、中束腰“X”型、大束腰“X”型，同时焊接过程稳定、焊接效率大幅度提高，工艺适应性较传统单激光焊接明显增强。

1.5铝合金双光束激光焊接技术

为了解决常规单光束激光焊存在的局限性，将单光束激光分离成两束激光，通过改变两束激光能量配比、光束间距、排布方式，对激光焊接温度场和流动场进行方便、灵活的调节，改变匙孔的存在模式和熔池的流动方式，提高单光束激光焊的工艺适应性，为激光焊接工艺提供更加广阔的选择空间。美国学者J.XIE研究了铝合金双光束激光焊接技术，研究表明双光束激光焊接铝合金可显著改善焊缝表面成形和咬边缺陷以及减少气孔缺陷。此外，法国学者A.Haboudou、尼桑汽车研究所的T.Iwase、德国斯图加特大学的AndreasRuB均得到类似结果。

2、3mm厚LF6铝合金激光-MIG复合焊接

2.1试验条件

试验在机器人光纤激光焊接系统上进行，系统由4kW的IPG光纤激光器、福尼斯TPS4000型MIG/MAG焊接电源以及KUKA机器人组成，德国PrecitecYW52激光焊接头和福尼斯推拉丝焊枪组成激光-MIG复合焊接头，激光焊接头与MIG焊枪采用可调节的机械夹持机构，可调整激光束与MIG电弧之间的夹角和距离（光丝间距），复合焊接头整体置于机器人臂上。焊接试验采用母材为3mm厚5A06铝合金（LF6）板材，试板尺寸100mm×300mm。

2.2焊缝成形

铝合金激光-MIG电弧复合焊接主要工艺参数为光丝间距、焊接速度、激光功率P、离焦量Δf、MIG电流、MIG气流量、焊丝干伸、MIG电弧弧长修正等。通过优化工艺参数，可获得良好的铝合金激光-MIG复合焊接焊缝成形。通过X射线探伤焊缝内部质量，达到QJ1666A-2011Ⅰ级焊缝质量要求。

2.3接头力学性能

在电子拉伸试验机上对铝合金激光-MIG复合焊接接头进行力学拉伸试验，均断裂在焊缝和热影响区，这表明焊缝及热影响区依然是接头的薄弱环节。接头平均强度338MPa，达到母材强度的95%以上，接头平均延伸率14.1%，达到母材的76%以上，具备良好的力学性能。

2.4铝合金激光-MIG复合焊接变形

为了定性描述铝合金激光-MIG复合焊接对焊接变形的控制，对比测量平板TIG焊和激光-MIG复合焊接横向角变形和纵向挠曲变形的大小。纵向最大挠曲变形TIG焊高达11.2mm，激光-MIG复合焊仅2.1mm；横向最大角变形TIG焊为8.6°，激光-MIG焊仅2.4°，这表明与常规的TIG焊工艺相比，采用激光-MIG电弧复合焊接能够更好地控制铝合金焊接变形。

结论

（1）铝合金激光自熔焊接表面成形不好，且易产生气孔缺陷，激光填丝焊、激光-电弧复合焊以及双光束激光焊等能够有效解决上述问题。（2）对3mm厚LF6铝合金进行激光-MIG复合焊接，通过工艺优化，可获得良好的焊缝表面成形，内部质量也达到QJ1666A-2011Ⅰ级焊缝质量要求。（3）接头平均强度338MPa，达到母材强度的95%以上，接头平均延伸率14.1%，达到母材的76%以上，具备良好的力学性能。（4）铝合金激光-MIG复合焊接纵向挠曲变形和横向角变形均小于TIG焊。

【参考文献】：

[1]陈彦宾.现代激光焊接技术[M].北京：科学出版社，2005.endprint