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第二篇：电子束

铝合金的激光焊接技术

摘要：主要概述了铝合金激光焊接技术的优点及焊接工艺参数，讨论了小孔效应及等离子问题对焊接过程的影响，分析了铝合金焊接存在的缺陷，同时提出了改进措施，并介绍了铝合金激光焊接的最新方法及发展前景。

关键词：铝合金；激光焊接；缺陷；小孔；技术

一．概述

铝合金具有高比强度、高比模量和高疲劳强度，以及良好的断裂韧性和较低的裂纹扩展率，同时还具有优良的成形工艺性和良好的抗腐蚀性。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

传统的铝合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊工艺，但所面临的主要问题是焊接过程中较大的热输入使铝合金板变形较大，焊接速度慢，生产效率低。由于焊接变形大，随后的矫正工作往往浪费大量的时间，增加了制造成本，影响了生产效率和制造质量。而激光焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点，使其在铝合金焊接领域受到格外的重视。

铝合金激光焊接技术是近十几年来发展起来的一项新技术，与传统焊接方法相比，激光焊具有热输入小、能量密度高、热影响区窄而熔深大、热变形小、接头性能好及易于控制等优点，因而日益得到广泛应用。但是由于铝合金具有良好的导热性，对激光束的极高初始反射率及焊接过程中产生的等离子体对激光束的屏蔽作用，使得工件吸收光束能量困难，焊接过程不稳定，同时还易产生裂纹、气孔等缺陷。

二．铝合金激光焊接的优点及工艺参数

（1）与传统的TIG、MIG 焊相比，用激光来焊接铝合金具有以下优点：

①能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到熔化区和热影响

区窄而熔深大的焊缝。

②冷却速度快，能得到组织微细的焊缝，故焊接接头性能良好。 ③焊接速度快、功能多、适应性强、可靠性高且不需要真空装置，所以在焊接精度、效率、自动化等方面具有无可比拟的优势。

（2）焊接工艺参数

①激光功率 激光功率是决定焊缝熔深的主要因素，激光功率密度必须大于阈值功率密度形成小孔效应才能产生深熔焊，在聚焦光斑直径一定的情况下，激光功率密度与激光功率成正比，激光功率越高，熔深则越大，焊接速度也越快。但过大的激光功率会使熔池严重过热，熔宽和热影响区增大，同时还会使焊接过程中飞溅增多，易污染焊接镜头，一般认为，当CO2激光功率低于2 kw时，无法对铝合金进行有效的焊接。

②离焦量 激光深熔焊时，聚焦光斑的位置很重要，当焦点位于工件表面以上时，熔深较小，不宜进行深熔焊；当焦点位于工件表面以下时，工件内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向工件更深处传递，形成较大的熔深。离焦方式有2种，焦平面位于工件上方，为正离焦，反之为负离焦。厚板熔深较大，采用负离焦，焊接薄板时，宜用正离焦。

③焊接速度 在其它参数保持不变的情况下，熔深随焊速的增加而减小，焊接效率随焊速的增加而提高，但速度过快会使熔深达不到焊接要求；速度过慢又会导致材料过度熔化，焊缝过宽，热影响区过热，热裂纹倾向增大。所以我们必须根据实际情况选择合适的焊接速度，既满足熔深又具有尽可能高的生产效率。

④保护气体 铝合金激光焊接传统上采用Ar，N2，He 3种保护气体，理论上He最轻且电离能最高，但是在较低功率、较高焊速下，由于等离子体很弱，不同保护气体差别很小。阎在相同条件下，使用N 可较容易诱导小孔，主要由于N2和Al之间可发生放热反应，由上述反应生成的Al—N—O三元化合物对激光的吸收率要高一些，纯N2会在焊缝中产生Al—N脆性相，同时易生成气孔，而采用惰性气体保护， 由于质轻而逸出，不致造成气孔，因此采用混合气体保护效果较好。

三．铝合金激光焊的小孔效应及等离子体对焊接过程的影响

按激光聚焦后光斑上功率密度的不同，铝合金激光焊分为传热焊和深熔焊2种，当激光功率密度低于3.5×l06W／cm2 时，焊接以稳

定热传导型进行，只有激光功率高于此阈值，等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行，而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件时(P=2．3～3．8kW)，深熔焊和传热焊交替进行，焊接过程不稳定，导致熔深波动很大。在不同的铝合金焊接中均存在一个激光能量密度阈值，低于此值时熔深很浅，而一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。小孔的出现可以大大提高材料对激光的吸收率，焊件可以获得更多的能量。深熔焊形成小孔效应的阈值主要与铝合金中某些低沸点元素(Mg，Zn等)含量成反比，其主要原因是合金元素Mg，Zn的沸点大大低于Al的沸点，当温度超过合金元素的沸点时，合金元素大量蒸发，金属蒸气的反冲压力有利于在合金内部形成小孔。

尽管铝合金中的某些低沸点元素对诱导小孔的产生起到促进作用，但是由于其电离能低，铝合金激光焊时，金属蒸气就易于电离，导致等离子体本身吸收过多的激光能量，使得作用于熔池中的激光能量降低，为了消除等离子体的不利影响，通常采取加大保护气体流量、附加侧面喷嘴吹除以及改变工件焊接位置等。在焊接过程中熔池中的金属蒸气和等离子体还会以一定的压力和频率从熔池中喷出，使得熔池底部的金属在激光的直接照射下产生较大熔深。

四．铝合金激光焊接存在的缺陷及改进措施

虽然用激光焊接铝合金具有很多优点，但是由于这种工艺还不成熟，焊接时存在着一些问题。

（1）铝合金对激光能的吸收很低。焊接时，首先遇到的也是最难解决的问题，就是铝合金对激光束具有极高的表面初始反射率(对CO2激光超过9O％，对YAG激光接近8O％)，这也是影响焊缝熔深的主要因素。因此，要有效地对铝合金进行激光焊接，就必须增大激光功率密度或者采用其他措施来提高铝合金对激光能的吸收率。

①提高激光功率密度以产生钥孔效应。在激光焊接铝合金时，钥孔的出现会大大地提高材料对激光的吸收率。在不同铝合金的激光焊接中，发现都存在一个激光功率密度阀值，即诱导出钥孔所需的最低功率密度，CO2激光焊的功率密度阀值约为1O w／cm2，而Nd：YAG 激光焊的功率密度阀值则要低一些。激光功率达到一定值时，铝合金对激光的吸收率会明显增大，这是由于钥孔的形成而不是铝合金开始熔化。

②采用适合的表面预处理措施。为了提高铝合金对激光的吸收，可以以改变材料表面状态来降低反射，改善吸收。阳极氧化和喷砂处理可以明显提高铝对激光能量的吸收，砂纸打磨、表面化学侵蚀、表面镀、空气炉中氧化等铝合金表面处理措施，对改善激光能的吸收是有效的。

③选择合适的接头形式。V形坡口和方形坡口接头，比无坡口接头的吸收率要高得多，这主要是由于有坡口的接头有利于钥孔效应的形成。另外，还发现方形坡口接头的激光吸收率对坡口尺寸的变化很敏感。

（2）合金元素烧损严重。由于铝合金的电离能低，而且各行业经常用的合金中含有大量的Mg、Zn等低沸点元素，铝合金激光焊缝加热及凝固速度快，在激光束作用下，会发生Mg，Zn等低熔点强化元素的烧损，导致焊缝硬度和强度下降， 同时由于Mg，Zn，Cu在晶界的偏析分布，在晶界产生低熔点共晶，从而导致焊缝结晶裂纹倾向增大。所以铝合金激光焊时，不仅会导致焊缝表面下凹，从而造成焊缝成形差，而且也是接头拉伸强度下降的主要原因。可通过填丝方法获得均匀焊缝，并抑制突出枝晶生长，细化组织，可避免热裂纹的产生，提高焊缝强度。

（3）易产生气孔。铝合金种类不同，产生的气孔类型也不同。一般认为，铝合金焊接过程中可能产生以下几种气孔：

①氢气孔。由于焊接过程中铝合金对氢的溶解度很大，而且激光焊的冷却速度很快，这样来不及逸出的氢气就造成了氢气孔。

②钥孔塌陷产生的气孔。在钥孔模式焊接时，如果钥孔不稳定，熔融铝合金就不能很好地填充空洞，这样金属蒸气和气体就会留在焊缝根部，从而形成气孔。当表面张力大于蒸汽压力时，气孔敏感性更大。

③保护气体产生的气孔。有研究认为，在高能激光焊接铝合金的过程中，由于熔池底部小孔前沿金属的强烈蒸发，使保护气体被卷入熔池中形成气泡。当气泡来不及逸出而残留在固态铝合金中即成为气孔。

材料表面状态，保护气体种类、流量，以及保护方法，焊接参数等都会影响气孔敏感性，选择合适的表面处理措施，加强保护和采用高功率、大焦距焊接时可以降低气孔敏感性。

（4）热裂纹敏感性大。热裂纹是铝合金激光焊接时最常见也是最严重的缺陷之一，它是由铝合金的性能及激光焊的特点决定的。铝合金激光焊产生的热裂纹有两种：焊缝中的结晶裂纹和焊接热影响区的液化裂纹。铝合金激光焊接产生的结晶裂纹是由于焊缝金属结晶时在柱状晶边界形成Al-Si 或Mg-Si、A1-Mg2Si 等低熔点共晶导致的。激光焊接时，焊缝细，HAZ窄，特别是脉冲激光焊接，总输入能量低，冷却速度快，液化裂纹不易产生。防止结晶裂纹产生的措施很多，如采用合适的填充材料、添加细化凝固组织的微量元素(Ti、Zr等)、优化激光脉冲的波形及选择适当的焊接工艺参数等。向焊缝中添加Si对减少裂纹有一定好处，因为焊缝中过量的低熔点Al—Si共晶的愈合作用可完全防止结晶裂纹的产生。，随着焊接速度的提高，焊缝中热裂纹形成越多，并且材料越薄，焊接速度对热裂纹影响越大。通过材料表面化学镀Ni处理的方法，也可有效防止大量热裂纹的产生。

五．激光焊接技术的最新进展及未来发展前景

为消除或减少单热源激光焊接的缺陷，人们在保持激光加热的优点的基础上，利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热，从而把激光与其他热源一起进行复合热源焊接。主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接以及双激光束焊接等。既能充分发挥两种热源各自的优势又能相互弥补各自的不足。激光-电弧复合焊与A-TIG、搅拌摩擦焊一起被公认为是当今焊接领域的三大研究热点。研究和使用大功率激光器进行大厚度深熔焊接也是未来发展的必然趋势。使激光焊接效率更高，降低生产成本。

（1）铝合金的激光-TIG复合焊 该方法先用TIG焊熔化母材，再用激光照射焊接，可明显改善铝合金对激光能量的初始吸收率，在2种方法共同作用下，还可增大熔深， 当焊速加快时，TIG焊还会借助激光焊产生的等离子体来消除由于阳极斑点不稳定而产生的电弧漂移问题，所以可对铝合金进行大熔深，高速焊，使生产效率大大提高。

（2）铝合金的激光-MIG复合焊 在激光焊接时，同时加保护气体和焊丝，焊丝和喷嘴同轴安置，与光轴夹角35°，通过调整焊丝成分、直径及送丝速度等参数来调整焊缝金属的合金系统，防止焊接裂纹的产生，这种方法对焊接裂纹倾向较大的中、厚板是尤为有利的。

（3）超声振动激光焊 将工件置于一以10 kHz共振频率振动的压电传感器上，这种方法可获得更大熔深，而且可较大程度地抑制焊缝中的周边和纵向裂纹，当熔深小于l mm时还可大大降低气孔数目。

（4）铝合金的双束激光焊 采用单独激光焊接铝合金时，由于钥孔塌陷会产生小孔、飞溅，这是激光焊接铝合金时最常见的焊接缺陷。针对这一问题，人们研制开发了双束激光焊，焊接时可以采用高能量脉冲激光+低能量连续激光，也可以将一束激光分成功率不同的前后两束。改善工件对激光能量的吸收与利用，在加大焊接熔深、提高焊接能力的同时，降低了激光器的功率输出，从而节约焊接成本。

六．结束语

激光不但在现代工业生产技术中表现出前所未有的优势,而且在现代科学中给人们也提供了更广阔的想象空间。铝合金激光焊接比传统的焊接技术具有明显的高效、可控和优质的特点,但是其缺陷的形成机理和预防措施也有其独特之处。目前,防治铝合金激光焊接缺陷的研究工作已从常规的预防措施方面深入到小孔行为的研究方面,这对于促进大熔深激光焊接的发展具有重要意义,是将来大功率激光焊接必须解决的关键问题。

参考资料：

【1】齐向前，李玉昌 铝合金焊接技术特性 《工业与新技术》 20xx年6月 第3期

【2】胡敏英，吴志生 铝合金激光焊接的工艺特点及发展现状 《热加工工艺》 20xx年 第15期

【3】刘世永，孟德，黄德康 铝合金激光焊接的研究 《机械工程材料》 20xx年9月 第9期

【4】杨淑芳，楼松年，薛小怀 铝合金焊接技术

【5】宋东风，胡绳荪 铝合金激光焊接技术的发展现状 《电焊机》 20xx年9月 第9期

【6】王承伟，孙俊华 铝合金激光焊接的研究现状和发展趋势 《金属加工》 20xx年 第8期

【7】陈彦宾 《现代激光焊接技术》