高強鋁合金具有較高的比強度、比剛度，良好的耐腐蝕性能、加工性能和力學性能, 已成為航空航天、艦船等載運領域結構輕量化制造不可或缺的金屬材料，其中飛機應用最多。焊接技術在提高結構材料利用率、減輕結構重量、實現(xiàn)復雜及異種材料整體結構低成本制造方面獨具優(yōu)勢，其中鋁合金激光焊接技術是倍受關注的熱點。 

    與其他焊接方法相比，激光焊接光束能量密度可達109W/cm2，同時具有加熱集中、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，可實現(xiàn)高速高精度焊接，并且焊接過程無需真空環(huán)境，不產生X-ray，特別適合復雜結構的高精度焊接。該技術在工業(yè)中所占比重已成為衡量一個國家工業(yè)加工水平高低的重要標志。如空客A380飛機和奧迪A8車就以激光焊接鋁合金結構的應用作為其先進性的標志。因此，激光焊接是鋁合金焊接技術的重要發(fā)展方向。 

    隨著材料技術的發(fā)展，各種高強高韌鋁合金不斷推出，尤其是第三代鋁鋰合金、新型高強鋁合金的出現(xiàn)，對鋁合金激光焊接技術提出了更多更高的要求，同時鋁合金的多樣性也帶來了各種各樣的激光焊接新問題，所以必須深入研究這些問題，才能更有效地拓展鋁合金激光焊接結構的應用潛力。 

 

    大功率激光器 

    激光焊接是將高強度激光輻射至金屬表面，通過激光與金屬間熱力耦合作用使金屬熔化再冷卻結晶形成焊縫的技術。根據激光焊接的熱作用機制可分為熱導焊和深熔焊兩種，前者主要應用于精密零件的封裝焊接或微納焊接；后者在焊接過程中往往產生類似于電子束焊接的小孔效應，形成深寬比較大的焊縫。激光深熔焊接實現(xiàn)需要的激光功率高，該技術目前應用于激光深熔焊接的大功率激光主要有4種類型，其特點如表1所示。

    CO2氣體激光的工作介質為CO2氣體，輸出10.6μm波長激光，按激光激發(fā)結構形式分為橫流和軸流兩種。橫流CO2激光輸出功率雖已達150kW，但光束質量較差，不適合焊接；軸流CO2激光具有較好的光束質量，可用于對激光反射率高的鋁合金焊接，商用激光器功率也達到25kW。A318飛機鋁合金下壁板就是采用的CO2雙光束激光焊接。 

    YAG固體激光工作介質是紅寶石、釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石等，輸出波長為1.06μm的激光。YAG激光比CO2激光更易于被金屬吸收，并且受等離子體影響較小，為光纖傳輸，焊接操作靈活，焊縫位置可達性好，是目前鋁合金結構焊接的主要激光器。光泵浦Nd:YAG固體激光由于高功率運轉時泵浦燈輸入能量產生大部分熱損耗，造成激光腔溫度升高、導致激光熱透鏡效應，使得YAG激光功率和光電能量轉化效率低。近年來以半導體泵浦、激光泵浦代替光泵浦固體激光器，不僅光束質量得到改善，而且能量轉換率和泵浦燈的使用壽命明顯提高了，如近幾年出現(xiàn)的Yb:YAG Disc激光，其激光能量轉換效率達20%，光束質量比肩光纖激光器。 

    YLR光纖激光是2002年以后發(fā)展起來的新型激光器，以光纖為基質材料，摻雜不同的稀土離子，輸出波長范圍在1.08μm左右，也是光纖傳輸。光纖激光革命性地采用了雙包層光纖結構，增加了泵浦長度, 提高了泵浦效率，從而使光纖激光器的輸出功率大幅提高。與YAG 激光相比，YLR光纖激光雖然出現(xiàn)較晚，但具有體積小、運行成本低、光束質量高等優(yōu)點，而且獲得的激光功率高；如圖1所示，激光功率可達50kW?？梢姽饫w激光的出現(xiàn)，明顯提高了焊接熔深和焊接速度。德國BIAS針對AA6082鋁合金進行的各種激光焊接對比研究結果表明：采用5m/min的焊接速度，8kW 的YLR光纖激光的熔深為9mm，6kW的YAG激光焊接熔深為5mm，4kW的YAG激光焊接熔深為3mm。而采用17kW的YAG光纖進行焊接，焊接速度為6m/min，實焊縫熔深為12mm，焊接3mm厚板，最大焊接速度達到了20m/min，而且在功率和束流品質間的協(xié)調限制減小時，接近電子束焊接特征，而且可實現(xiàn)2000和7000系列難焊鋁合金的焊接。據英國激光協(xié)會的調查統(tǒng)計（Dr. J. Powell and Prof. W.M.Steen），英國激光焊接研究的熱點光纖激光焊接和鋁合金厚板激光焊接，德國BAM 研究所（20 kW）、BIAS 研究所（17 kW）和IPG 公司（30 kW）等也在開展鋁合金厚板激光焊接的研究，激光深熔焊接可達25mm。

圖1 大功率激光器的發(fā)展歷程

 

    鋁合金激光焊接結構的應用研究 

    自20世紀90年代，隨著科學技術的發(fā)展，大功率高亮度激光器的出現(xiàn)，激光焊技術集成化、智能化、柔性化、多樣化發(fā)展日趨成熟，國內外更加關注激光焊在各領域鋁合金結構中的應用。 

    德國的高端轎車，如Audi、Golf、Passat等品牌均采用鋁合金車頂激光焊接結構，從1999年起該技術擴大到汽車底盤和車身，而且基于激光焊接和激光電弧復合焊接技術的綜合利用，該技術在汽車制造中很好地解決了蒙皮厚度較小的結構焊接時變形的問題，以及變截面和端部焊接的缺陷控制問題。目前，激光焊接技術已成為汽車制造的標準化工藝，遍布汽車車頂、車身、側框等各個鈑金結構，寶馬、通用公司在車架頂部采用激光焊接，德國奔馳公司則采用激光焊接傳動部件，分別涉及Al-Mg系、Al-Mg-Si系及Al-Mg-Zn系鋁合金。我國一些汽車制造廠家已經在部分新車型中采用激光焊接技術，隨著鋁合金厚板激光焊接技術的發(fā)展，激光焊接未來將應用于裝甲車結構。 

    為了實現(xiàn)輕量化制造，在艦船和高速列車結構制造中，鋁合金三明治結構的激光焊接應用與研究是目前的研究熱點。英國焊接研究所為日本高鐵制造商Nippon Sharyo開發(fā)的高速列車車墻板三明治鋁合金激光焊接結構，采用3mm厚的AA6063軋板，利用光纖激光電弧復合焊接實現(xiàn)了各種形式的接頭焊接，其中激光器為IPG 10 kW光纖激光，填充材料為ER5356 焊絲，焊接激光功率為4~5kW。AlCAN-Transrapid的高速列車鋁合金車頂結構也采用激光焊接替代MIG焊接，采用功率為4kW的YAG 激光，焊接速度為5m/min，焊縫長度達20m。 

    鋁合金是航空航天結構重要的金屬結構材料，因此在日本、美國、英國、德國等發(fā)達國家十分重視鋁合金激光焊接技術研究。英國焊接研究所成功地運用4kW的Nd:YAG激光填絲焊進行了AA2014鋁合金帶筋壁板的雙光束YAG激光焊接，采用直徑為1.2mm的ER2319 鋁合金焊絲焊絲，焊接接頭質量良好，焊接變形小于TIG 焊。Gobbi等研究飛機機翼下的鋁合金油箱的CO2激光焊，接頭氣孔嚴重，采用YAG激光焊可獲得優(yōu)質的焊接接頭?？罩锌蛙嚬九cBIAS、Fraunhofer等研究所合作，經10年努力于2003年在德國和法國空中客車部件生產廠實現(xiàn)了A318客機鋁合金下壁板結構雙光束CO2 激光填絲焊以及YAG激光填絲焊，焊接速度為4~10m/min，這種以焊代鉚結構將減輕飛機的近20％機身重量，降低制造成本約20%，已應用在A318、A380和A340系列飛機的壁板結構焊接中，如圖2所示。未來還將應用于A350飛機壁板焊接，壁板數(shù)量將達到18塊，焊縫總長度將達到1000m。隨著光纖激光焊接技術的發(fā)展，目前先進國家的航空制造領域已將光纖激光焊接和激光電弧復合焊接技術列為鋁合金焊接技術的重點，尤其是厚板焊接和異種金屬的焊接，如美國NALI項目針對民機和JSF飛機發(fā)動機燃燒室結構正在開展光纖激光焊接和激光電弧復合焊接技術的研究。

 

    鋁合金激光焊接的特點 

    與常規(guī)熔化焊相比，鋁合金激光焊接加熱集中、焊縫深寬比大、焊接結構變形小，但是也存在一些不足，歸納起來有：（1）激光聚焦光斑直徑細小導致工件焊接裝配精度要求高，通常裝配間隙、錯邊量需小于0.1mm或板厚的10％，增大了具有復雜三維焊縫焊接結構的實施難度；（2）由于室溫條件下鋁合金對激光的反射率高達90%，因而鋁合金激光深熔焊接要求激光器具有較高的功率。鋁合金薄板激光焊接研究表明：鋁合金激光深熔焊接取決于激光功率密度和線能量雙閾值，激光功率密度和線能量共同制約著焊接過程的熔池行為，并最終體現(xiàn)到焊縫的成形特征上，對于全熔透焊縫的工藝優(yōu)化可通過焊縫成形特征參量背寬比進行評價；（3）鋁合金熔點低，液體金屬流動性好，在大功率激光作用下產生強烈的金屬汽化，在焊接過程中伴隨小孔效應所形成的金屬蒸汽/ 光致等離子體云影響鋁合金對激光能量的吸收，導致深熔焊接過程不穩(wěn)定，焊縫易于產生氣孔、表面塌陷、咬邊等缺陷；（4）激光焊接加熱冷卻速度快，焊縫硬度比電弧的高，但由于鋁合金激光焊接存在合金元素燒損，影響合金強化作用，鋁合金焊縫仍然存在軟化問題，從而降低鋁合金焊接接頭的強度。因此鋁合金激光焊接的主要問題是控制焊縫缺陷和提高焊接接頭性能。 

 

    鋁合金激光焊接缺陷控制技術 

    在大功率激光的作用下，鋁合金激光深熔焊縫的主要缺陷是氣孔、表面塌陷和咬邊，其中表面塌陷、咬邊缺陷可以通過激光填絲焊接或激光電弧復合焊接改善；而焊縫氣孔缺陷控制則比較困難?，F(xiàn)有的研究結果表明：鋁合金激光深熔焊接存在兩類特征氣孔，一類為冶金氣孔，同電弧熔化焊一樣，由于焊接過程材料污染或空氣侵入所導致的氫氣孔；另一類為工藝氣孔，是由于激光深熔焊接過程所固有的小孔不穩(wěn)定波動所致。在激光深熔焊過程中，小孔因液體金屬粘滯作用往往滯后于光束移動，其直徑和深度受等離子體/金屬蒸汽的影響產生波動，隨著光束的移動和熔池金屬的流動，未熔透深熔焊接因熔池金屬流動閉合在小孔尖端出現(xiàn)氣泡，全熔透深熔焊接則在小孔中部細腰處出現(xiàn)氣泡。氣泡隨液體金屬流動而遷移、翻滾，或逸出熔池表面，或被推回到小孔，當氣泡被熔池凝固、被金屬前沿俘獲，即成為焊縫氣孔。顯然冶金氣孔主要靠焊前表面處理控制和焊接過程合理的氣保護所控制，而工藝氣孔關鍵就是保證激光深熔焊接過程小孔的穩(wěn)定性。根據國內激光焊接技術的研究，鋁合金激光深熔焊接氣孔控制應綜合考慮焊接前、焊接過程、焊接后處理各個環(huán)節(jié)，歸結起來有以下新工藝和新技術。 

   （1）焊前處理方法。焊前表面處理是控制鋁合金激光焊縫冶金氣孔的有效方法，通常表面處理方法有物理機械清理、化學清理，近年來還出現(xiàn)了激光沖擊清理，這將進一步提高激光焊接自動化程度。 

   （2）焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)化控制。鋁合金激光焊接過程工藝參數(shù)通常主要有激光功率、離焦量、焊接速度，以及氣保護的成分和流量等。這些參數(shù)既影響焊接區(qū)域的保護效果，又影響激光深熔焊接過程的穩(wěn)定性，從而影響焊縫氣孔。通過鋁合金薄板激光深熔焊接發(fā)現(xiàn)，小孔穿透穩(wěn)定性影響熔池穩(wěn)定性，進而將影響焊縫成形造成焊縫氣孔缺陷，而且激光深熔焊接穩(wěn)定性與激光功率密度與線量匹配有關，因此確定合理的穩(wěn)定焊縫成形的工藝參數(shù)是有效控制鋁合金激光焊縫氣孔的有效措施。全熔透穩(wěn)定焊縫成形特征研究結果顯示：采用焊縫背面寬度與焊縫表面寬度之比（焊縫背寬比），評價鋁合金薄板焊縫成形及其穩(wěn)定性。當薄板激光焊激光功率密度與線能量合理匹配時，可保證一定焊縫背寬比，并可有效地控制焊縫氣孔。 

   （3）雙光點激光焊接。雙光點激光焊接是指兩束聚焦激光束同時作用于同一熔池的焊接過程中。在激光深熔焊接的過程中，瞬間閉合將小孔中的氣體封閉在熔池中是焊縫氣孔形成的主要原因之一。當采用雙光點激光焊接時，由于兩束光源的作用，造成小孔開口較大有利于內部金屬蒸氣逸出，也有利于小孔的穩(wěn)定，從而能減少焊縫氣孔。對A356、AA5083、2024 和5A90鋁合金激光焊接的研究均顯示：雙光點激光焊可顯著減少焊縫氣孔。 

   （4）激光電弧復合焊接。激光電弧復合焊接是將激光與電弧作用于同一熔池的焊接方法。一般以激光為主要熱源，利用激光與電弧的相互作用，提高激光焊接熔深和焊接速度，降低焊接裝配精度。利用填充焊絲調控焊接接頭的組織性能，利用電弧的輔助作用改善激光焊接小孔的穩(wěn)定性，從而有利于減少焊縫氣孔。在激光電弧復合焊接過程中，電弧影響激光過程誘發(fā)的金屬蒸汽/等離子體云，有利于材料對激光能量的吸收和小孔的穩(wěn)定性。對鋁合金激光電弧復合焊接焊縫研究結果也證實了其效果。 

   （5） 光纖激光焊接。激光深熔焊接過程的小孔效應源于激光作用下金屬產生強烈汽化。金屬汽化蒸汽力與激光功率密度和束流品質密切相關，不僅影響激光焊接的熔深，也影響小孔穩(wěn)定性。Seiji. 等對SUS304不銹鋼大功率光纖激光研究顯示：高速焊接時熔池拉長，抑制了飛濺，小孔波動穩(wěn)定，小孔尖端無氣泡產生，當光纖激光用于鈦合金、鋁合金高速焊接時，同樣可獲得無氣孔的焊縫。Allen 等對鈦合金光纖激光焊接保護氣體控制技術研究顯示：通過控制焊接保護氣體的位置，可防止氣體的卷入，減少小孔閉合時間，穩(wěn)定焊接小孔，并改變熔池的凝固行為，從而減少焊縫氣孔。 

   （6） 脈沖激光焊接。與連續(xù)激光焊接相比，激光輸出采用脈動方式輸出，可促使熔池產生周期性穩(wěn)定流動，有利于熔池氣泡逸出而減少焊縫氣孔。T Y Kuo和S L Jeng研究了YAG 激光焊接激光功率輸出方式，對SUS 304L不銹鋼和inconel 690高溫合金焊縫氣孔及性能的影響結果表明：對于方波脈沖激光焊接來說，當基值功率為1700w時，隨著脈沖幅值ΔP的增加，焊縫氣孔減少，其中不銹鋼的氣孔率由2.1% 降至0.5%，高溫合金的氣孔率由7.1% 降至 0.5%。 

   （7）焊后復合處理技術。在實際工程應用中，即使焊前進行了嚴格的表面處理，焊接過程穩(wěn)定性較好，鋁合金激光焊接也會不可避免地產生焊縫氣孔，因此利用焊后處理消除氣孔的方法是很重要的。該方法目前主要是修飾焊。熱等靜壓技術是鋁合金鑄件消除內部氣孔和縮松的方法之一，將其與鋁合金激光焊后應力熱處理結合，形成鋁合金激光焊接構件熱等靜壓與熱處理組成復合工藝，既消除焊縫氣孔，又改善接頭性能。 

 

   結束語 

   由于激光深熔焊接本身的優(yōu)點，使激光焊接鋁合金在國外受到了廣泛地關注，并已成為航空航天、車輛、艦船等載運工具結構制造技術的重要研發(fā)方向，尤其是光纖激光與Disc激光等新型高亮度大功率基礎的發(fā)展，進一步拓展了鋁合金激光焊接結構應用前景。但是，由于鋁合金特性，大功率激光焊接應用還存在許多問題有待深入研究，其主要問題就是控制焊縫氣孔缺陷，提高焊接質量。鋁合金激光焊縫氣孔工程化控制應綜合考慮焊接前、焊接過程、焊接后處理的各個環(huán)節(jié)，從而提高焊接過程穩(wěn)定性。由此已衍生出很多新技術新工藝，如焊前激光清理、焊接工藝參數(shù)背寬比控制優(yōu)化、雙光束激光焊、激光電弧復合焊、脈沖激光焊和光纖激光焊接等。

作者：北京航空制造工程研究所 陳俐 鞏水利