铝合金激光焊接工艺及其应用

武亚鹏

库珀（天津）科技有限公司 天津 301700

1 序言

铝合金具有材质轻、耐腐蚀、耐低温、力学性能好等优势，广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车、船舶、化工等众多工业制造领域。近几年，随着国家对环保、节能、减排的宏观经济体制改革，对铝合金材料有了很大的需求量，尤其是高强度的铝合金材料有着高刚度、高耐蚀性、优良加工性、高力学性等，逐渐成为各领域制造业轻量化应用不可缺少的重要材料。目前，铝合金的焊接方法主要有TIG焊、MIG焊、搅拌摩擦焊、激光焊等。

激光焊接具有能量高、热源集中、热损小、变形小、焊缝深宽比大等优点，并且在焊接过程中便于形成集成化、自动化、柔性化的生产优势，满足高速、高精度的焊接，焊接时无需真空作业环境，非常适合在恶劣的环境下对复杂的结构件实施高精度的焊接[1]。因此，研究铝合金激光焊接工艺及其应用具有非常重要的意义。

2 铝合金的熔焊工艺分析

（1）焊前准备 铝合金的焊前准备非常关键，否则会对铝合金的焊接质量造成很大的影响。焊前要对铝合金的表面用酒精或丙酮擦拭清理，清除工件表面的水、油等污染性的杂质。如被氧化了的铝合金工件，需要对工件进行清理打磨或化学试剂处理并吹干，再及时完成焊接。

铝合金焊接时要加快熔池的流动性，可在焊件背面垫铜板以提高焊缝的成形质量。

（2）常规熔化焊 铝合金常规的熔化焊方法有TIG焊（见图1）、MIG焊等，焊接时，采用氩气作为保护气来隔绝空气，实现减少或避免焊缝产生气孔。

常规熔化焊存在着以下问题。

1）焊接时会输入大量的热源，导致焊缝宽且熔深较浅。

2）铝合金冶金速度快，导致焊缝组织晶粒粗大，焊接接头软化可使强度减少40%左右。

3）铝合金熔点低而导热快，熔融金属流动性差而使焊缝成形不美观。

4）焊接时受热面积大，加工材料容易变形而影响加工尺寸精度。

图1 铝合金氩弧焊焊缝

5）铝合金常规焊接质量保障难度大，焊接速度难以满足批量生产的需求。

（3）激光焊接 激光焊接铝合金的优势尤为突出，焊接时热输入小且热源集中，尤其是光纤激光焊接铝合金时的能量更加集中，激光波长更短，高反射得到明显的改善[2]。

通过光纤激光焊、双光斑激光焊、激光填丝焊等焊接工艺，可大大提升铝合金的焊接质量及焊后效果，如图2所示。

图2 铝合金激光焊焊缝

1）光纤激光焊。光纤激光焊接铝合金时，存在高反射现象，影响材料对激光能量的吸收，波长短，材料对光的吸收就好，因此光纤激光焊对铝合金的吸收好，光束模式保证了能量密度的高度集中，保证了焊接质量。

2）双光斑激光焊。焊接时，双光束可以形成一个较大的匙孔，这样可以保证焊接时的稳定，有效促进气体的排出。采用并行双光束激光焊接的优点如下：①熔池内部温度相差小，可以降低金属熔液的凝固速度，这样就加长了气泡的逸出时间，减少了气孔的形成，大大降低了焊缝的气孔率。②能够提高送丝的稳定性，保障了焊接质量的稳定性。

3）激光填丝焊。相比激光自熔焊铝合金，能够得到更好的成形。激光填丝焊能够兼容激光焊的高能量密度和填丝焊的高桥接能力，对于有一定间隙的焊缝，能够保证良好的成形效果。而且通过不同的填充材料的选择，可以对母材进行不同的化学反应，起到一定合金元素补充且强化的功效。采用激光复合焊，通过激光与电弧的复合，能够有效消除激光焊形成的等离子体的影响。通过光丝间距、吹气、焊枪角度等参数的调节，能够获得美观的焊缝，而且对于厚板无需开坡口或只需开小坡口就可以形成良好的焊缝。

3 激光焊接铝合金的特点

（1）功率大的激光头 能够稳定焊接质量，随着激光加工的深入开发，功能越来越强大的激光头得到快速的应用。由Scansonic和High YAG所研制的激光头，能够在一定范围内上下左右浮动而不改变光斑大小，也不影响光丝配合，非常利于大批量的生产应用，能改善材料由于加工产生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。

（2）合适的焊接参数 合理的焊接参数能够很好地保证焊接质量。要获得稳定的焊缝成形，需要匹配合适的焊接参数。

1）当给定的每一个激光功率数值时，都会有一个合理的焊接速度相匹配，焊接速度可以在设定的范围内进行调整，同样可以实现成形质量很好的焊缝，此区域定义为焊接稳定区。

2）当在一个功率数值时，焊接速度过快，输入的热量变小，导致铝合金材料不能熔透，这时已超过稳定区的范围，此区域定义为未熔透区。

3）当在一个功率数值时，焊接速度过慢，输入的热量过大，熔池下塌严重，此区域定义为熔池坍塌区。

（3）高要求的装配精度 因为铝合金激光焊接加热集中、焊缝深宽比大、焊接结构变形小、激光聚焦光斑直径细小等特点，所以导致工件的组对精度要求较高，一般组对间隙和错边量都必须小于0.1mm或板厚的0.1t，这样大大增加了焊接的操作难度。

（4）易产生焊接缺陷 由于铝合金熔点低，金属液流动性好，因此在大功率激光的作用下会使金属气化。焊接过程中伴随小孔效应所形成的金属蒸气影响铝合金对激光能量的吸收，这样会出现焊接过程不稳定，焊缝容易产生气孔、表面塌陷、咬边等焊接缺陷。

焊缝产生表面塌陷、咬边等缺陷可以通过激光填丝焊接或激光电弧复合焊来实现改善，但是气孔缺陷控制难度比较大。

（5）焊接接头强度的影响 由于激光焊接的加热和冷却速度快、焊缝硬度高、铝合金激光焊接存在合金元素烧损，因此影响铝合金的强化作用，导致铝合金焊缝存在软化现象，这样就降低了铝合金焊接接头的强度。

4 铝合金激光焊接的应用[3]

4.1 石油管道

1）铝合金石油管道能够有效增加管道的直径及管壁的厚度，使管道在额定的时间里输送更多的油量。管道输送石油非常危险，容易发生泄漏现象，一旦发生泄露可能会造成不可估量的财产损失、人员伤亡、环境污染、水源污染等重大危害。

2）铝合金管道焊接时，提升焊接质量、避免焊接缺陷是关键。

3）激光焊接铝合金管道可以产生非常大的效益，同时可以有效地控制焊接质量。焊接时可以保证焊缝一次成形且焊接质量比较高，这样可以避免由于焊缝缺陷导致石油泄漏危害，如图3所示。

图3 激光焊接铝合金石油管道

4.2 汽车制造

1）近年来，汽车制造业不断挖掘耐用材料及工艺技术的应用来提升产品的整体质量。其中把激光焊接技术应用到汽车制造中，实现了铝合金材料的焊接应用，有效减轻了自身重量、减少了工序、提高了生产效率，受到了各汽车制造商的好评。

2）通过激光焊接铝合金技术在汽车制造过程中的广泛应用，有效地推广了铝合金材料的应用范围，如图4所示。

图4 激光焊接铝合金汽车骨架

4.3 航空航天

1）航空航天产品对材料的使用更是严格要求，需要保证材料的高精度、耐热性、稳定性、持久性。铝合金的产品可以有效地降低制造成本、减轻自身重量。

2）激光焊接铝合金材料技术的大力应用，为提高航空航天事业 的制造水平提供了先进工艺[4]。

5 结束语

1）铝合金是发展过程中应用范围越来越广的材料，如何不断提高铝合金材料的应用范围及利用率，是目前各行各业研究的重心。

2）激光焊接作为一种新兴的焊接技术，能够有效地解决焊接气孔的缺陷，通过不断拓宽激光焊接在铝合金材料中的应用，会发挥更大的作用。

3）随着激光焊接技术和铝合金材料技术的发展，需进一步对激光焊接铝合金技术的研究及开发新的工艺，有效地挖掘激光焊接铝合金材料的潜能。

4）由于铝合金材料的特性，大功率激光焊接时还有很多课题需要研究，其中控制焊缝成形后的气孔缺陷就是不断提升铝合金焊接质量的关键。