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鋁及鋁合金是目前制造業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的有色金屬材料，在重工制造、裝修建材、食品機(jī)械、船舶機(jī)械以及新能源動(dòng)力電池等領(lǐng)域均有大量的應(yīng)用。與此同時(shí)，由于不同系列鋁合金焊接性能差異較大，焊接難度大，成為其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。為解決這些難點(diǎn)，越來(lái)越多的技術(shù)人員投入到這項(xiàng)領(lǐng)域的研究當(dāng)中，也不斷有新的技術(shù)工藝面世，為鋁合金應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展提供了更多可能。

鋁及鋁合金的焊接之所以成為難點(diǎn)，主要還是因?yàn)槠渥陨淼男阅?。鋁合金成分復(fù)雜，除一系工業(yè)純鋁以外，其他各系列鋁合金均摻雜大量其他金屬及非金屬成分。這些金屬及非金屬元素的物理及化學(xué)性能與鋁本身差異較大，在焊接過(guò)程中易出現(xiàn)氣孔、裂紋以及焊縫處力學(xué)性能差等焊接缺陷。對(duì)于激光焊接來(lái)說(shuō)，鋁及鋁合金屬于高反材料，如何提高其對(duì)激光的吸收率以及防止反光損傷激光器成為亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)鋁合金存在的焊接難點(diǎn)，各大激光器廠商及集成商也都在各自的領(lǐng)域推出各種方式來(lái)加以解決。

激光器改善

抗高反

鋁及鋁合金材料屬于高反材料，對(duì)于1080nm波長(zhǎng)激光吸收率不高，影響加工過(guò)程的穩(wěn)定性，特別是在焊接過(guò)程中，會(huì)存在更高的回返現(xiàn)象，常常因?yàn)楦叻磳?dǎo)致激光器壽命降低，甚至導(dǎo)致泵源燒毀。近幾年來(lái)，各激光器廠商對(duì)此都投入了大量的精力來(lái)解決這一問(wèn)題，有從內(nèi)部光閘入手，安裝回返光隔離器（圖1），也有從QBH頭入手，從源頭剝離回返光。目前這些解決方案都已經(jīng)取得了不錯(cuò)的實(shí)際使用效果，從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，未來(lái)可期。

圖1 回返光隔離器

光束可調(diào)

各激光器廠商從光束著手，推出了光束可調(diào)技術(shù)，具有代表性的是IPG的AMB激光器（產(chǎn)生的光束如圖2所示）和Nlight的Corona激光器。通過(guò)調(diào)節(jié)光束模式，產(chǎn)生一個(gè)更大更穩(wěn)定的匙孔，環(huán)形光束（圖3）使材料軟化，并朝熔池底部偏轉(zhuǎn)，減少焊接飛濺及氣孔，有效提升了鋁合金材質(zhì)的焊接質(zhì)量與效率。

圖2 AMB光束可調(diào)

圖3 Corona環(huán)形光斑

藍(lán)光激光器

由于銅鋁等高反材質(zhì)對(duì)紅外波段的吸收差，激光焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量飛濺，就不得不在焊接后再清潔零件，但是相比紅外波段，銅鋁材質(zhì)對(duì)于藍(lán)光的吸收更高，幾乎是紅外波段的十倍，藍(lán)光激光器可在更低的功率下焊接，并保持焊接的清潔度，因此各激光器廠商也紛紛推出了藍(lán)光激光器面向市場(chǎng)。

焊接工藝改善

在激光器廠商從光束方面解決問(wèn)題的同時(shí)，眾多激光焊接集成商也紛紛推出各自的工藝來(lái)面向市場(chǎng)。

擺動(dòng)焊接

搖擺焊接模式是指采用激光專用搖擺焊接頭對(duì)光束進(jìn)行擺動(dòng)（圖4），使光束加工范圍變大，對(duì)焊縫寬度有更好的容忍度，提升焊接質(zhì)量。

圖4 光束擺動(dòng)方式

采用搖擺模式焊接鋁合金產(chǎn)品，通過(guò)光束的攪拌，可以更好地讓氣體逃逸出去，減少氣孔，從而改善焊接接頭的組織性能，如圖5所示。

圖5 焊接接頭組織性能對(duì)比

雙波長(zhǎng)激光焊接

復(fù)合光源焊接金屬材料時(shí)，主光源光纖激光針對(duì)母材進(jìn)行深熔焊，半導(dǎo)體激光作為次波段光源同步預(yù)熱材料并增加其熔融狀態(tài)的時(shí)間，有助于抑制焊接熱裂紋和焊接內(nèi)部氣孔的產(chǎn)生，同時(shí)提高焊接小孔的穩(wěn)定性，如圖6所示。另外，半導(dǎo)體激光能夠大大增加母材對(duì)激光的吸收率，在銅鋁等高反材料的焊接上具有很大優(yōu)勢(shì)。

圖6 單光源與復(fù)合光源焊接接頭組織性能對(duì)比

激光-MIG復(fù)合焊接

對(duì)于鋁合金厚板的焊接，采用單一激光作為熱源很難達(dá)到理想效果，目前行業(yè)企業(yè)基本上采用傳統(tǒng)電弧焊的焊接方式，需要開(kāi)坡口，多層多道焊接，生產(chǎn)效率低下，工作強(qiáng)度大，焊接變形大，難以保證焊縫質(zhì)量。鍇軼激光與林肯電氣共同推出的激光-MIG電弧復(fù)合焊接（圖7）則很好地解決了這一痛點(diǎn)。

圖7 激光-MIG復(fù)合焊接

激光-MIG復(fù)合焊接具有焊接熔深大、焊接強(qiáng)度高的特點(diǎn)。單一的激光焊接由于焊接光斑小，功率密度高，對(duì)產(chǎn)品間隙及位置度要求較為敏感，而激光-MIG復(fù)合焊接對(duì)間隙及位置度誤差在1.6mm以內(nèi)時(shí)的包容度非常好，降低了裝配精度要求，也降低了生產(chǎn)成本。與此同時(shí)，激光與電弧之間的相互配合，也實(shí)現(xiàn)了互惠互利。激光通過(guò)壓縮電弧，對(duì)電弧起到了穩(wěn)定的作用，即使在高速焊接狀態(tài)下，也可以保持穩(wěn)定的電弧狀態(tài)。而電弧也促進(jìn)了激光能量的吸收，在同等功率的情況下，可以得到更深的熔深。在焊接速度提升的同時(shí)，焊接變形量最高可降低60%，節(jié)約了80%的工時(shí)，激光-MIG復(fù)合焊接的焊接效果如圖8所示。隨著工業(yè)級(jí)激光器輸出功率的逐步增大，大功率激光-MIG復(fù)合焊接也將應(yīng)用于更多更厚的產(chǎn)品中去。

圖8 激光-MIG復(fù)合焊接效果

越來(lái)越多的解決方案不斷攻克了鋁合金的焊接難點(diǎn)，但沒(méi)有哪種焊接方式是完美普適的，針對(duì)不同的焊接需求，未來(lái)的發(fā)展一定是多元化、個(gè)性化的。鋁合金的完美焊接還有多遠(yuǎn)？目前還找不到答案，每一次的技術(shù)進(jìn)步都需要激光焊接從業(yè)者們持續(xù)不斷地探索。

李祥增

作者簡(jiǎn)介：李祥增，高級(jí)工程師，焊接事業(yè)部工藝經(jīng)理，主要從事激光焊接工藝研發(fā)工作。