铝合金激光焊接的质量问题研究

贺东伟

摘 要：相较于传统的焊接技术，铝合金激光焊接有许多优点，但在焊接中，依然存在着一系列质量问题。本文结合近些年来激光焊接技术的研究现状，简要分析了铝合金激光焊接的特性和焊接过程中出现的质量问题，并对激光焊接工艺的优化提出了相应的措施。

关键词：铝合金；激光焊接；质量

中图分类号：V261.34 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）23-0054-02

Study on Quality of Laser Welding of Aluminum Alloy

HE Dongwei

（Heilongjiang Polytechnic，Harbin Heilongjiang 150080）

Abstract： Compared with the traditional welding technology， aluminum alloy laser welding has many advantages， but there are still a series of quality problems in welding. Based on the current research status of laser welding technology in recent years， the characteristics of laser welding of aluminum alloy and the quality problems in the process of welding were briefly analyzed， and the corresponding measures for the optimization of laser welding process were put forward.

Keywords： aluminum alloy；laser welding；quality

近年来，激光焊接技术取得了飞速发展，被越来越广泛地应用到制造业中。与以往的焊接技术相比，激光焊接技术有明显的优势，正逐步取代传统的焊接工艺。铝合金激光焊接工艺推动了工业的发展，为经济发展作出了极大的贡献。

1 激光焊接技术

激光焊接技术是用高能量的激光作为热源，将金属熔化后进行焊接[1]。激光焊接技术分为热传导焊接和深熔焊接，热传导焊接是将高强度的激光束辐射到金属的表面，利用激光强大的能量将金属熔化，形成焊缝。深熔焊接是在高功率的激光束照射下，金属材料发生蒸发现象形成小孔，小孔能有效吸收激光束的能量，将金属熔化。相较于其他焊接技术，激光焊接技术有许多的优势。如发射的激光束有很高的密度，蕴含的能量巨大，因而在焊接时有很高的效率。被焊接的工件受热区域小，不易发生变形，深宽比较大。激光焊接还能进行微型焊接，通过将激光束聚焦能形成较小的光斑，作出精密的定位，从而进行微小型元件的焊接[2]。

2 铝合金激光焊接中存在的质量问题

2.1 激光吸收率问题

金属材料对激光的吸收率较高时，材料就能更好地吸收激光的能量，升温也较快，能够更好地熔化材料。反之，金属材料对激光反射率较高时，就不利于热量的吸收。此外，金属材料的吸热能力也受到传热系数和导温系数的影响。表1显示的是多种金属对激光的反射率[3]。

Al、Cu和Ag这3种金属对激光的反射率非常高，达到了90%以上，进行激光焊接时会增加一定的难度。正常室温中，铝合金对CO2激光的吸收率非常低，绝大部分激光的能量都发生反射。铝合金之所以对激光有很高的反射率，与它内部的结构有关。铝合金内部的自由电子数量较多，有很高的密度，在光波电磁波震动下，会生成较为强烈的反射波，反射波不容易被铝合金的表面吸收，导致了较高的激光反射率[4]。

2.2 小孔诱导和稳定

在对铝合金进行激光焊接时，当激光的能量密度超过3.5[×]106 W/cm2时会生成离子体，焊接就选取深度熔焊的方式。焊接中出现小孔，能在很大程度上增加金属材料对激光的吸收率，使得焊件能快速熔合，取得较好的焊接效果。但在铝合金激光焊接中，因为铝合金和激光束的特性，要注意小孔的诱导和稳定问题。由于铝在常温环境下对激光束的反射率较高，若想在铝合金上产生小孔，就需要较大的激光能量密度阈值。这个阈值非常关键，当激光的输入功率超过阈值时，激光能量辐射会使金属发生较为强烈的蒸发现象，形成凹槽。激光束能深入铝合金的内部，使焊缝的深度变大。不同的铝合金，阈值的大小也不一样。因此，在焊接中要选择合适的机型。

2.3 气孔问题

铝合金激光焊接过程中，产生的气孔又分成氢气孔和匙孔塌陷两种。氢气孔产生方面，铝合金在高温环境的作用下会发生氧化反应，在表面生成一层三氧化二铝保护膜。这层膜会吸收空气中的水分，在激光束的照射下，吸收的水分会发生分解现象。水被分解成氢，产生的氢会溶解到液态的铝中。铝合金发生瞬时凝固时，液态瞬间向固态转变，由于氢在液态和固态中的溶解程度不同，液态铝中的氢在上浮的过程中容易形成氢气孔。匙孔塌陷方面，焊接小孔存在着自身重力，在大气压强的作用下，处在一个平衡的状态，当这种平衡被打破的时候，液态金属不能及时填充会导致空洞出现。在用激光进行焊接时，冷却的速度非常快，出现的气孔问题比较严重，因为小孔塌陷也会引起空洞产生。

2.4 热裂纹问题

铝合金焊缝结晶裂纹出现在焊缝区，HAZ液化裂纹在近缝区。铝合金经过加热和冷却，发生时间非常短，存在较大的过冷度，晶粒沿垂直焊缝中心方向生长，形成共晶化合物，在热应力的作用下，形成了结晶裂纹。铝合金中存在着一些沸点较低的元素，它們非常容易出现蒸发、烧损。当激光焊接的速度越慢时，这些元素烧损的程度就越严重，能改变焊缝金属的化学成分。焊缝区成分产生共晶偏析出现晶界熔化，在应力作用下形成液化裂纹，裂纹的出现，会在一定程度上影响焊接接头的性能。

3 铝合金激光焊接工艺

激光焊接工艺是为了解决铝合金激光焊接中出现的质量问题，包括气体保护装置、表面处理、激光器参数等方面。

3.1 气体保护装置

铝合金中一些元素的熔点较低，在高温气体的作用下，会发生较为严重的烧损现象。为了避免合金中这些元素出现烧损，可对气体保护装置作出更改。气体保护装置要减小喷嘴的直径，并增大气体的压力和流速。气体吹气的方式分为直吹和侧吹，在焊接过程中，要结合具体的状况，选择适合的吹气方式。

3.2 表面处理

由于铝合金对激光有较高的反射作用，因此在进行激光焊接前可先对其作表面处理。常用的表面处理方式有阳极氧化、喷砂等，很大程度上提升了对激光的吸收率。在进行激光焊接前，可用焊前处理的方式，提升工件的温度，金属材料对激光的吸收率也会升高。

3.3 激光器参数

焊接激光器有脉冲激光器，波长在1 064nm时，光束比较集中，但能量较小，通常用于对薄壁的焊接。使用脉冲激光器焊接时要选择合适的波形，如方波、双峰波等。铝合金表面对激光的反射率较高，前期会损失较多的能量，但随着温度的升高，小孔形成后开始进入深熔焊，液态金属对激光的吸收率又增大，因此在此时应减小激光的能量，以防能量过大使液态金属产生飞溅现象。铝合金激光焊接时，焊接速度较快时，过冷度也就越大，容易导致裂纹出现。激光焊接器还有一种焊接模式是连续焊接，连续焊接时不容易出现裂纹，焊接后有一定的韧性。连续激光焊接还能解决脉冲焊接后出现的凹陷问题。与传统的焊接方式相比，连续激光器有许多的优势，生产的效率较高，还能解决脉冲激光焊接后出现的裂纹和气孔问题，使得焊接后的铝合金有良好的性能，并且连续激光焊接的成本也较低。

参考文献：

[1]陈彦宾，曹丽杰. 铝合金激光焊接研究现状[J]. 焊接， 2001（3）：9-12.

[2]單莹，杜俊杰，蒋海涛，等.光束扫描对5A06铝合金激光焊缝组织的影响[J].新技术新工艺，2018（5）：40-43.

[3]李忠，王涛，刘佳，等.工艺参数对铝合金复合焊接接头耐蚀性影响[J].激光技术，2018（3）：113-116.

[4]李小婷，朱宝华.316L不锈钢与6063铝合金激光微焊接研究[J].焊接技术，2018（4）：37-40.