一  如何解決鋁合金激光焊接的問題

如今，激光焊接被廣泛應用于機械加工行業(yè)。此外，激光技術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，因此在鋁合金焊接領域受到了特別的重視。

另一方面，由于鋁合金的加工特點，鋁合金激光焊接存在一些焊接難點。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。鋁合金對激光有強烈的反射效應，這是由于固態(tài)情況下鋁合金內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90%，對固體激光的反射率也接近80%。同時，鋁合金有很強的熱導率，導致鋁合金對激光的吸收率很低。因此，必須采取適當的措施來提高鋁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方面:

1.對鋁合金材料進行表面預處理。鋁合金具有高激光響應。對鋁合金表面進行適當的前處理，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，會使焊接熔池產生小孔效應，這樣可以大大提升材料對激光的吸收率。

3.改變焊接結構，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：容易產生氣孔和熱裂紋，鋁合金激光焊接過程中容易產生氣孔和熱裂紋。

氣孔是在鋁合金激光焊接中出現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，在焊接時鋁合金表面的結晶水、空氣和保護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和激光復合焊接等措施都能達到減少氣孔的效果，但是都難以從根本上予以消除。鋁的導熱性比較好，可根據鋁合金的材質、厚度和表面狀態(tài)等在焊接過程中調節(jié)激光功率波形。如圖前置的尖端波型進行焊接，也可以采用前預熱后保溫的波型進行焊接，均對減少炸點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生的氣孔。

鋁合金激光焊接中產生熱裂紋的原因主要與其自身的特性和焊接工藝有關。鋁合金凝固時收縮率大（可達5%），焊接應力和變形大，并且焊縫金屬在結晶時沿晶界會產生低熔點共晶組織，使晶界結合力減弱，在拉應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，通過調整焊接工藝參數來控制加熱和冷卻的速度也可以減少熱裂紋傾向。當使用YAG激光器時，可以通過調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性能。

“軟化”是焊接接頭強度和硬度降低的現象。采用激光焊接鋁合金接頭時，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象很難從根本上消除，但是同氣體保護焊接相比，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焊相比，激光焊接接頭的“軟化”程度較低，且抗拉強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，激光焊接時更容易形成金屬等離子體，等離子體引起激光的折射、偏轉，從而改變激光束的焦點位置，使焊縫熔深比減少，影響焊接接頭質量。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(wěn)定。

鋁合金焊接過程中不穩(wěn)定氣孔導致焊接接頭的力學性能下降。鋁合金主要包括Zn、Mg和Al。在焊接過程中，鋁的沸點高于其他兩種元素。因此，在焊接鋁合金元件時可加入一些低沸點的合金元素，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

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，匙孔效應易導致焊縫下凹和咬邊的現象，因此，對焊接工藝參數有較高的要求。激光自熔焊接在鋁合金焊接中體現出了焊接質量好、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。國內某新能源汽車企業(yè)的鋁車身中，門總成及側圍結構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不斷送入填充金屬來實現冶金連接的過程。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)定性和接頭力學性能。

鋁合金激光填絲焊接具有外觀質量好、工藝間隙精度較激光自熔焊接寬松等特點，通常應用在車身外觀面，如頂蓋與側圍之間、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—電弧復合焊 

激光—電弧復合焊接是將激光和電弧2種物理性質、能量傳輸機制截然不同的熱源復合在一起，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，又相互彌補了各自的不足。在鋁合金激光—電弧復合焊接中，電弧可以引導激光熱源，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能穩(wěn)定地作用在接頭上，可以改善接頭焊接質量，提高焊接速度。

結 論

鋁合金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。鋁合金激光焊接最吸引人的特點是它的高效率，而要充分發(fā)揮這種高效率，就要把它應用到大厚度的深熔接中去。因此，研究和應用大功率激光進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象及其對焊縫孔隙率的影響，因此針孔的形成機理和控制變得越來越多，將成為業(yè)界普遍關注和研究的熱點問題。

提高激光焊接工藝的穩(wěn)定性、焊縫成形和焊接質量是人們追求的目標。因此，激光電弧復合工藝、填充焊絲激光焊接、無預設粉末激光焊接、雙焦點技術、光束整形等新技術將得到進一步的完善和發(fā)展。