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一  如何解決鋁合金激光焊接的問題

如今，激光焊接被廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)。此外，激光技術(shù)還具有焊接熱輸入小、焊接受熱面積影響小、不易變形等特點(diǎn)，因此在鋁合金焊接領(lǐng)域受到了特別的重視。

另一方面，由于鋁合金的加工特點(diǎn)，鋁合金激光焊接存在一些焊接難點(diǎn)。如何解決這些問題呢?

問題1：鋁合金對激光的吸收率低。

這個(gè)問題主要是由于鋁合金材料的問題。由于鋁合金對激光束的高初始反射率和高導(dǎo)熱性，鋁合金在熔化前對激光束的吸收率很低。鋁合金對激光有強(qiáng)烈的反射效應(yīng)，這是由于固態(tài)情況下鋁合金內(nèi)部自由電子密度很高，易與光束中的光子作用而將能量反射掉。研究表明，鋁合金對氣體CO2激光的反射率高達(dá)90%，對固體激光的反射率也接近80%。同時(shí)，鋁合金有很強(qiáng)的熱導(dǎo)率，導(dǎo)致鋁合金對激光的吸收率很低。因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣咪X合金對激光的吸收率。

針對這一問題，解決方案主要包括以下幾個(gè)方面:

1.對鋁合金材料進(jìn)行表面預(yù)處理。鋁合金具有高激光響應(yīng)。對鋁合金表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)那疤幚?，如陽極氧化、電解拋光、噴砂、噴砂等。能顯著提高表面對輻射能的吸收。研究表明，去除氧化膜后鋁合金的結(jié)晶傾向高于原始鋁合金。為不破壞鋁合金表面光潔度，簡化激光焊接工藝，可采用焊接工藝提高工件表面溫度，提高材料對激光的吸收率。

2.減小光斑尺寸，提高激光功率密度。通過提高激光功率密度來提高鋁合金對激光的吸收。激光功率密度增大，會使焊接熔池產(chǎn)生小孔效應(yīng)，這樣可以大大提升材料對激光的吸收率。

3.改變焊接結(jié)構(gòu)，使激光束在縫隙中多次反射，方便鋁合金激光焊接。接頭形式會影響對激光的吸收。V形坡口和方形坡口比無坡口接頭更有利于匙孔的形成，使激光功率密度增大，鋁合金對激光的吸收率也隨之增加。

問題2：容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋，鋁合金激光焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋。

氣孔是在鋁合金激光焊接中出現(xiàn)最多和最主要的一類缺陷。氣孔類型可分為2類。

一類是由于鋁合金激光焊接在冷卻過程中氫的溶解度急劇下降，熔融狀態(tài)鋁合金的含氫量可達(dá)0.69mL/100g，冷卻凝固后的鋁合金含氫量為0.036mL/100g，過飽和的氫析出而形成氫氣孔。此外，鋁合金表面有一層氧化膜，在焊接時(shí)鋁合金表面的結(jié)晶水、空氣和保護(hù)氣中的水分直接分解為氫。這些氫氣孔在鋁合金激光焊接的快速冷卻過程中來不及逸出，而留在焊縫中形成氫氣孔。

另一類是由于激光焊接過程中產(chǎn)生的匙孔不穩(wěn)定而塌陷，液態(tài)金屬來不及填充而形成的孔洞。氣孔過多將降低焊縫的致密性，減小接頭的承載能力，而且會使接頭的強(qiáng)度和塑性有不同程度的降低。

減少鋁合金激光焊接中氣孔缺陷的措施有很多，如改變激光光束的行走軌跡、采用光束振蕩來對熔池進(jìn)行攪拌、增加氣孔逸出表面的可能性、采用填絲或填加合金粉末，以及采用雙光斑技術(shù)和激光復(fù)合焊接等措施都能達(dá)到減少氣孔的效果，但是都難以從根本上予以消除。鋁的導(dǎo)熱性比較好，可根據(jù)鋁合金的材質(zhì)、厚度和表面狀態(tài)等在焊接過程中調(diào)節(jié)激光功率波形。如圖前置的尖端波型進(jìn)行焊接，也可以采用前預(yù)熱后保溫的波型進(jìn)行焊接，均對減少炸點(diǎn)和氣孔起到一定的作用?？梢詼p少氣孔的不穩(wěn)定塌陷，改變激光束的照射角度，并在焊接中施加磁場，還可以有效地控制焊接過程中產(chǎn)生的氣孔。

鋁合金激光焊接中產(chǎn)生熱裂紋的原因主要與其自身的特性和焊接工藝有關(guān)。鋁合金凝固時(shí)收縮率大（可達(dá)5%），焊接應(yīng)力和變形大，并且焊縫金屬在結(jié)晶時(shí)沿晶界會產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶組織，使晶界結(jié)合力減弱，在拉應(yīng)力的作用下形成熱裂紋。

采用填絲或者填加合金粉末的方法可以減少熱裂紋傾向，通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)來控制加熱和冷卻的速度也可以減少熱裂紋傾向。當(dāng)使用YAG激光器時(shí)，可以通過調(diào)整脈沖波形來控制熱輸入，以減少晶體裂紋。

問題3：焊接鏈接力學(xué)性能下降-軟化

焊接過程中合金元素的燃燒損失降低了鋁合金焊接連接的力學(xué)性能。

“軟化”是焊接接頭強(qiáng)度和硬度降低的現(xiàn)象。采用激光焊接鋁合金接頭時(shí)，焊接接頭的焊縫組織和熱影響區(qū)同樣存在軟化問題。大量研究表明，鋁合金焊接的軟化現(xiàn)象很難從根本上消除，但是同氣體保護(hù)焊接相比，激光焊接由于降低了熱輸入，使焊縫軟化區(qū)更窄。鋁合金激光焊接與熔化極氣體保護(hù)焊相比，激光焊接接頭的“軟化”程度較低，且抗拉強(qiáng)度隨焊接速度增大而增大。等離子體對焊接過程的影響鋁元素的電離能低，激光焊接時(shí)更容易形成金屬等離子體，等離子體引起激光的折射、偏轉(zhuǎn)，從而改變激光束的焦點(diǎn)位置，使焊縫熔深比減少，影響焊接接頭質(zhì)量。采用在工件表面預(yù)置粉末法來減弱等離子體在高度方向上的膨脹跳動，使等離子體在工件表面能維持跳動幅度的相對穩(wěn)定。

鋁合金焊接過程中不穩(wěn)定氣孔導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能下降。鋁合金主要包括Zn、Mg和Al。在焊接過程中，鋁的沸點(diǎn)高于其他兩種元素。因此，在焊接鋁合金元件時(shí)可加入一些低沸點(diǎn)的合金元素，有利于小孔的形成和焊接的牢固性。

二 鋁合金激光焊接技術(shù)

1鋁合金激光自熔焊接 

激光自熔焊接是指以高能量密度激光束為熱源，沖擊到母材表面，使母材自身熔化，形成焊接接頭的焊接方式。對于鋁合金激光焊接來說，鋁合金表面對激光的反射率高，焊接時(shí)需要較大的激光功率；激光光斑直徑小，對焊接工裝的精度要求高，對零件間隙容忍值低，通常要求零件間隙值在0.2mm 以下；焊接過程中加熱和冷卻速度快，焊接氣孔缺陷多，激光能量密度集中，匙孔效應(yīng)易導(dǎo)致焊縫下凹和咬邊的現(xiàn)象，因此，對焊接工藝參數(shù)有較高的要求。激光自熔焊接在鋁合金焊接中體現(xiàn)出了焊接質(zhì)量好、焊接速度快及易于自動化等優(yōu)勢，在汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛。在電動汽車行業(yè)中，動力電池殼體的密封主要采用的是鋁合金激光自熔焊接。國內(nèi)某新能源汽車企業(yè)的鋁車身中，門總成及側(cè)圍結(jié)構(gòu)件的焊接也采用的是鋁合金激光自熔焊接。

2 鋁合金激光填絲焊接 

激光填絲焊接中激光仍然作為主要熱源來熔化被焊金屬，但利用自動送絲裝置向熔池內(nèi)不斷送入填充金屬來實(shí)現(xiàn)冶金連接的過程。與激光自熔焊接相比，激光填絲焊接放寬了對焊接工藝間隙精度的要求，通過填充不同成分的焊絲，改善焊縫的冶金性能，防止產(chǎn)生焊接熱裂紋和氣孔，提高了焊接過程的穩(wěn)定性和接頭力學(xué)性能。

鋁合金激光填絲焊接具有外觀質(zhì)量好、工藝間隙精度較激光自熔焊接寬松等特點(diǎn)，通常應(yīng)用在車身外觀面，如頂蓋與側(cè)圍之間、行李箱蓋外板上下板之間。也有一些車型為了得到更高的焊接質(zhì)量而采用激光填絲焊接來焊接鋁合金車門。

3 鋁合金激光—電弧復(fù)合焊 

激光—電弧復(fù)合焊接是將激光和電弧2種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的熱源復(fù)合在一起，并共同作用于被焊工件，既充分發(fā)揮了2種熱源各自的優(yōu)點(diǎn)，又相互彌補(bǔ)了各自的不足。在鋁合金激光—電弧復(fù)合焊接中，電弧可以引導(dǎo)激光熱源，提高鋁合金對激光的吸收能力以及焊接過程中的能量利用率，并且焊縫表面成形性比激光自熔焊接好。此外，電弧的引入能大大降低對焊接工件的裝卡精度，同時(shí)電弧對激光焊的等離子有稀釋作用，可以降低等離子體對激光的屏蔽作用。激光對電弧的穩(wěn)定起到重要作用，使電弧在高速焊接時(shí)能穩(wěn)定地作用在接頭上，可以改善接頭焊接質(zhì)量，提高焊接速度。

結(jié) 論

鋁合金激光焊接光束能量密度可達(dá)109W/cm2，同時(shí)具有加熱集中、熱損傷小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優(yōu)勢，焊接過程易于集成化、自動化、柔性化，可實(shí)現(xiàn)高速高精度焊接，并且焊接過程無需真空環(huán)境，不產(chǎn)生X-ray，特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度焊接。鋁合金激光焊接最吸引人的特點(diǎn)是它的高效率，而要充分發(fā)揮這種高效率，就要把它應(yīng)用到大厚度的深熔接中去。因此，研究和應(yīng)用大功率激光進(jìn)行大厚度深熔焊接將是未來發(fā)展的必然趨勢。大厚度深熔焊接突出了針孔現(xiàn)象及其對焊縫孔隙率的影響，因此針孔的形成機(jī)理和控制變得越來越多，將成為業(yè)界普遍關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問題。

提高激光焊接工藝的穩(wěn)定性、焊縫成形和焊接質(zhì)量是人們追求的目標(biāo)。因此，激光電弧復(fù)合工藝、填充焊絲激光焊接、無預(yù)設(shè)粉末激光焊接、雙焦點(diǎn)技術(shù)、光束整形等新技術(shù)將得到進(jìn)一步的完善和發(fā)展。