鋁合金激光焊接的研究現狀和發展趨勢

　　一、概述
　　鋁合金具有高比強度、高比模量和高疲勞強度，以及良好的斷裂韌性和較低的裂紋擴展率，同時還具有優良的成形工藝性和良好的抗腐蝕性。因此，被廣泛應用于各種焊接結構和產品中。

　　傳統的鋁合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊工藝，但所面臨的主要問題是焊接過程中較大的熱輸入使鋁合金板變形較大，焊接速度慢，生產效率低。由于焊接變形大，隨后的矯正工作往往浪費大量的時間，增加了制造成本，影響了生產效率和制造質量。而激光焊接具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區小和焊接變形小等特點，使其在鋁合金焊接領域受到格外的重視。

　　鋁合金激光焊接的主要難點在于：

　　（1）鋁合金對激光束的高初始反射率及其本身的高導熱性，使鋁合金在未熔化前對激光的吸收率很低，“小孔”的誘導比較困難。

　　（2）鋁的電離能低，焊接過程中光致等離子體易于過熱和擴展，使得焊接穩定性差。

　　（3）鋁合金激光焊接過程中容易產生氣孔和熱裂紋。

　　（4）焊接過程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學性能下降。

　　二、鋁合金激光焊接的問題及對策
　　1．鋁合金對激光的吸收率問題
　　材料對激光的吸收率由下式決定：

　　ε=0.365{ρ[1+β(T－20)] /λ}1/2
　　式中　　ρ——鋁合金20℃的直流電阻率，Ω.m；

　　　　　　β——電阻溫度系數，℃-1；

　　　　　　T——溫度，℃；

　　　　　　λ——激光束的波長，m。

　　對于鋁合金來說，吸收率是溫度的函數。在鋁合金表面熔化、汽化前，由于鋁合金對激光的高反射，吸收率將隨溫度的升高緩慢增加，一旦鋁合金表面熔化、汽化，對激光的吸收率就會迅速增大。為提高鋁合金對激光的吸收，可以采用以下方法：

　　（1）采取適當的表面預處理工藝   表1所示為鋁在原始表面(銑、車加工后) 、電解拋光、噴砂(300目砂子)及陽極氧化(氧化層厚度μm 級) 4種表面狀況下對入射光束能量的吸收情況。由此可見，陽極氧化和噴砂處理可以顯著提高鋁對激光束的能量吸收。另外，砂紙打磨、表面化學浸蝕、表面鍍、石墨涂層及空氣爐中氧化等鋁表面預處理措施對激光束的吸收是有效的。

　　（2）激光器參數調整   選用短焦距透鏡和低階模輸出均可使光斑尺寸減小，激光功率密度增大，鋁合金對激光的吸收率也增大。

　　（3）焊接結構設計   將工件坡口設計成斜30°角，這樣激光束能在空隙中多次反射，形成一個人工小孔，從而增加激光束的吸收率。

　　2. 小孔效應及等離子體對鋁合金激光焊的影響
　　在鋁合金激光焊接過程中，小孔的出現可以大大提高材料對激光的吸收率，焊件可以獲得更多的能量。但由于低熔點合金元素的蒸發，使得光致等離子體易于過熱和擴展，小孔的穩定性差，從而影響焊縫成形和接頭的力學性能，并且容易產生氣孔等焊接缺陷，所以小孔的誘導和穩定成為研究的一個重點。

　　根據相關資料可知，在不同的鋁合金焊接中均存在一個激光能量密度閾值，低于此值時熔深很淺，而一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。當工件上的激光功率密度達到3.5×106W/cm2時，產生等離子體，這是深熔焊開始的標志；功率密度低于此值時，進行熱傳導焊接；而在深熔焊與熱傳導焊之間的過渡區，兩者交替進行，使得熔深波動很大。

　　研究表明，誘導小孔所需能量密度閾值的高低主要和鋁合金中某些低沸點合金元素(如Mg、Zn 等)的含量成反比。合金元素含量越高，其閾值越低。主要原因是合金元素Mg、Zn 的沸點大大低于鋁的沸點。Mg的沸點為1090℃，Zn的沸點低于1000℃，而鋁的沸點為2467℃。合金元素大量蒸發形成的蒸汽壓有利于小孔的形成，所以某些低沸點合金元素（如Li等）的加入有利于小孔的形成，使得鋁合金易焊。

　　有的研究指出，在相同條件下用氦氣作保護氣體比用氬氣獲得的熔深小。原因是與氬氣相比，氦氣重量輕、氣壓低，對凹陷熔池的作用小；氦的離子化能量高，等離子體溫度低，難以對熔池表面加熱。但在采用高功率激光器低速焊時，氦氣可以獲得深熔焊。現在很多研究采用兩種氣體聯合保護，調整其混合配比，可以獲得較好的熔深和焊縫成形。采用氮氣保護時，即使焊速很高，也能獲得深熔焊，但容易產生未焊透，焊縫成形不良。

　　激光焊接過程中產生的等離子體能吸收激光能量，改變光束的聚焦狀態，使焊縫的深寬比減小。等離子體的不穩定會導致熔深不等，影響焊縫成形和接頭的力學性能。近年來，有的研究者采用在工件表面預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定。

　　3.鋁合金的激光焊接性問題
　　（1）氣孔問題  鋁合金種類不同，產生的氣孔類型也不同。一般認為，鋁合金焊接過程中可能產生以下幾種氣孔：①氫氣孔。鋁合金在有氫的環境中熔化后，其內部的含氫量可達0.69mL/100g 以上。但凝固以后，其平衡狀態下的溶氫能力最多只有0.036mL/100g，兩者相差近20倍。因此，在由液態向固態轉變的過程中，液態鋁中多余的氫必定要析出。如果析出的氫不能順利上浮逸出，就會聚集成氣泡殘留在固態鋁合金中成為氣孔。

　　日本學者在封閉的條件下將焊縫氣孔中的氣體收集起來進行分析，得出的結果為:氫氣占90%，氮氣10%。因此，通常認為減少焊縫氣孔的有效措施就是掐斷焊接時的供氫源。②保護氣體產生的氣孔。有研究認為，在高能激光焊接鋁合金的過程中，由于熔池底部小孔前沿金屬的強烈蒸發，使保護氣體被卷入熔池中形成氣泡。當氣泡來不及逸出而殘留在固態鋁合金中即成為氣孔。表2是A5083合金激光焊接氣孔中保護氣體的含量。③小孔塌陷產生的氣孔。在激光焊接過程中，當表面張力大于蒸汽壓力時，小孔將不能維持穩定而塌陷，金屬來不及填充就形成了孔洞。

　　Matsunawa教授的實時小孔觀測試驗引起了激光焊接領域的極大關注，相關的小孔模型研究和直接觀測研究工作大量涌現。隨之而來，對減少和避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺陷也提出了很多的實際措施，如調整激光功率波形、減少小孔不穩定倒塌、改變光束焦點高度和傾斜照射，在焊接時施加電磁場作用以及在真空中進行焊接等。近幾年來，又有研究者采用填絲或預置合金粉末、復合熱源和雙焦點技術等來減少氣孔的產生，取得了不錯的效果。

　　（2）裂紋問題  鋁合金屬于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固條件下更容易產生熱裂紋。焊縫金屬結晶時在柱狀晶邊界形成Al-Si或Mg-Si等低熔點共晶是導致裂紋產生的主要原因。

　　為減少熱裂紋，可以采用填絲或預置合金粉末等方法進行激光焊接。使用YAG激光器時，調節脈沖波形，控制熱輸入也可以減少結晶裂紋。

 

　　三、鋁合金激光焊接的發展前景
　　鋁合金激光焊接最為引人關注的特點是其高效率，而要充分發揮這種高效率就要把它運用到大厚度深熔焊接中。因此，研究和使用大功率激光器進行大厚度深熔焊接將是未來發展的必然趨勢。大厚度深熔焊更加突出了小孔現象及其對焊縫氣孔的影響，因此小孔形成機理及其控制變得更加重要，它必將成為未來學術界及工業界共同關心和研究的熱點問題。

　　改善激光焊接過程的穩定性和焊縫成形、提高焊接質量是人們追求的目標。因此，激光-電弧復合工藝、填絲激光焊接、預置粉末激光焊接、雙焦點技術以及光束整形等新技術將會得到進一步的完善和發展。

　　另外，有人發現在CO2激光焊接熔池中存在幾安培的固有電流，焊接區的外加磁場會影響熔池的流動狀態以及光致等離子體的形態和穩定性。因此，采用某種形式的磁場有可能改善鋁合金激光焊接過程的穩定性和焊縫質量。所以，采用輔助電流，通過其形成的電磁力控制熔池流動狀態，從而改善焊接過程的穩定性，提高焊縫質量，也可能會受到更多研究者的關注。