激光焊接在铝合金加工中的应用

此篇文章简要说明铝合金的应用特性及焊接特性，从焊接准备，加焊缝保护气，采用双光斑激光焊，激光填丝焊或激光-MIG复合焊，工艺参数调节等方面说明铝合金激光焊的质量保障方法，工业生产中还可以借助现有的高端激光头来稳定焊接质量。

  1、铝合金应用特性

  铝合金因材质轻，耐腐蚀，低温性能和机械综合性能好而广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业等众多领域。随着近年国家对节能经济的追求，铝合金的需要又上了一个台阶。目前，汽车行业中适用铝合金主要有Al-Mg(5000系列)、Al-Mg-Si(6000系列)及Al-Mg-Zn(7000系列)三大系列，汽车外壳多用耐蚀可焊的5000系合金，而梁柱等强度要求较高的部位则用6000系或7000系合金。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的重量可以把油耗降低37%；悬挂装置的负荷降低18%；振动强度降低5%。在各大汽车厂加大对铝合金加工研发与制造投入的同时，铝合金的焊接又成为一个不得不解决好的基础问题。

  2、铝合金的焊接特性

  目前，主要采用TIG焊、MIG焊等常规方法来焊接铝合金。采用常规方法焊接，热输入量大导致焊缝宽大且熔深较浅，铝合金导热快，冶金时高温溶解大量的氢来不及溢出产生氢气孔(溶入熔池中的氢析出形成的气孔，称为冶金气孔；未完全熔化的氧化膜中的水分因受热分解析出氢形成的气孔，称为氧化膜气孔)；由于冶金速度快焊缝金属晶粒粗大，焊接接头软化可使强度减少达到40%；铝合金熔点低而导热快，熔融金属流动性差而使焊缝成型不美观；受热面积大，加工材料容易变形而影响加工尺寸精度。铝合金常规焊接质量难以保障，且焊接速度难以满足批量生产要求。

  图1铝合金焊接时氧化膜气孔(左)和冶金气孔(右)

  随着激光加工应用普及化水平的提升，采用激光焊接铝合金，热输入量小且热源集中，特别是光纤激光器问世后，激光焊接铝合金的能量密度更加集中，激光波长更短，高反射得到改善。通过激光填丝，激光-MIG复合焊，双光斑激光焊等工艺，可明显改善铝合金焊接的成型效果，且焊接质量得到改善。

  图2铝合金焊接时对应焊材的选择参考表

  无论是何种焊接方法，铝合金焊接前准备工作是必不可少的，对铝合金的焊接质量影响很大。焊接前对铝合金件表面进行无水酒精或丙酮擦试，以清除表面所吸附的水或油等杂质。为防止工件在空气中被氧化，需要对工件进行机械打磨或化学处理并烘干，以尽快完成焊接。为了加快铝合金焊接时的熔池流动性，可以在铝合金工件焊接背面加垫铜板以改善焊缝成型。焊接时，采用Ar气保护，隔绝空气，能减小气孔的产生。

3、激光焊铝合金优化质量具体措施

  铝合金激光焊接开始时，存在高反射现象，严重影响材料对激光能量的吸收，而波长越短，材料对光的吸收就越好，因此，光纤激光比CO2激光对铝合金的吸收要好。光纤激光的光束模式也会比CO2激光好，能量密度更加集中。一旦材料开始吸收光能，对液态金属对光的反射率就明显下降。

  采用双光斑激光焊，能够明显改善气孔率，主要是因为采用双光束进行焊接时，两束光形成一个相对较大的匙孔，提高了匙孔的稳定性，有利于气体的逸出；相比于串行双光束，采用并行双光束焊接时，熔池内部温度梯度更小，降低了液态金属凝固速度，延长气泡的逸出时间，有利于减小气孔倾向；并行双光束激光焊也能提高送丝的稳定性，对稳定焊接质量有利。

  图3双光斑激光获得的原理图(左)及能量密度分布图(右)

  图4并行双光束激光焊模型 图5串行双光束激光焊模型

采用激光填丝焊，相比铝合金激光自熔焊，能够得到更好的成型。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，能够保证良好的成型效果。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冶金，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。

  图6单激光焊与激光-MIG复合焊模型比较

  采用功能强大的激光头，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。目前由Scansonic和HighYAG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，能改善材料因加工而产生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。

图7HighYAG生产的PDT-B激光头()和Scansonic生产的ALO3激光头(右)

  采用合适的焊接工艺参数，能够保证焊接质量。图8为6061铝合金激光填丝焊接的激光功率和焊接速度的优化参数范围关系图。从该图中可以看到，激光功率和焊接速度的优化匹配参数曲线呈直线式上升，斜率基本保持不变。每一个给定的激光功率值，在优化参数曲线上都有一个优化的焊接速度与之对应，且焊接速度可在一定范围内变化仍能获得成形质量好的焊缝，此区域属于焊接稳定区。在某一功率值时，当焊接速度过大，热输入变小，铝合金板材不能焊透，此时焊接速度过大则向上超过稳定区范围，属于未熔透区；当焊接速度过小，热输入过大，熔池下塌严重，此时属于熔池坍塌区。要获得稳定的焊缝成型，需要匹配合适的焊接工艺参数。

  图86061铝合金的激光功率和焊接速度的优化参数关系图