表示激光焊接具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區(qū)小和焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，使其在鋁合金焊接領(lǐng)域受到格外的重視。

一、鋁合金焊接技術(shù)

鋁合金比強(qiáng)度高，疲勞強(qiáng)度高，斷裂韌性好，裂紋膨脹率低，成型工藝好，耐腐蝕性好，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶、化工等行業(yè)。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接技術(shù)的發(fā)展拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

然而，鋁合金本身的特點(diǎn)使其相關(guān)焊接技術(shù)面臨著一些亟待解決的問題：表面不熔氧化膜、接頭軟化、易產(chǎn)生氣孔、易熱變形、導(dǎo)熱性過大等。傳統(tǒng)的鋁合金焊接一般采用TIG焊或MIG焊接工藝，雖然這兩種焊接方法能量密度大，焊接鋁合金時(shí)接頭良好，但仍存在熔化能力差、焊接變形大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。因此，人們開始尋求新的焊接方法，激光技術(shù)在20世紀(jì)中后期逐漸應(yīng)用于工業(yè)。生產(chǎn)A340飛機(jī)機(jī)身采用激光焊接技術(shù)取代原有鉚接工藝，使機(jī)身重量降低約18%，制造成本降低近25%。德國奧迪A2和A8全鋁結(jié)構(gòu)汽車也受益于鋁合金激光焊接技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。這些成功的例子極大地促進(jìn)了激光焊接鋁合金的研究，激光技術(shù)已成為未來鋁合金焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向。激光焊接具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金焊接領(lǐng)域尤為重要。

二、鋁合金激光焊接問題及對策

1. 鋁合金表面反射性高，導(dǎo)熱性高

這一特性可以用鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)來解釋。由于鋁合金中有高密度的自由電子，自由電子被激光（強(qiáng)電磁波）強(qiáng)制振動(dòng)，導(dǎo)致強(qiáng)反射波和弱透射波，鋁合金表面對激光反射率高，吸收率小。同時(shí)，自由電子的布朗運(yùn)動(dòng)變得更加劇烈，因此鋁合金也具有很高的導(dǎo)熱性。

鑒于鋁合金對激光的高反射，國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，噴砂、砂紙研磨、表面化學(xué)腐蝕、表面鍍、石墨涂層、空氣爐氧化等適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理可以減少光束反射，有效增加鋁合金對光束能量的吸收。此外，從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來看，在鋁合金表面人工孔或采用光收集器形式接頭，打開V形坡口或拼接（拼接間隙相當(dāng)于人工孔） 法可增加鋁合金對激光的吸收，獲得較大的熔化深度。此外，還可以使用合理的焊接間隙設(shè)計(jì)來增加鋁合金表面對激光能量的吸收。

2. 小孔效應(yīng)及等離子體對鋁合金激光焊接的影響

在鋁合金激光焊接過程中，孔的出現(xiàn)可以大大提高材料對激光的吸收率，焊接可以獲得更多的能量，鋁元素和鋁合金Mg、Zn、Li沸點(diǎn)低，易蒸發(fā)，蒸汽壓力大。雖然這有助于形成小孔，但等離子體的冷卻作用（等離子體屏蔽和吸收能量，減少激光對母材的能量輸入）使等離子體本身"過熱"；，但阻礙了孔的連續(xù)存在，容易產(chǎn)生孔等焊接缺陷，從而影響焊接成型和接頭的力學(xué)性能，因此孔的誘導(dǎo)和穩(wěn)定性已成為保證激光焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

由于鋁合金的高反射性和高導(dǎo)熱性，激光需要更高的能量密度才能誘導(dǎo)孔的形成。由于能量密度閾值基本上由其合金成分控制，激光功率可以通過控制工藝參數(shù)來確定，以確保適當(dāng)?shù)臒彷斎?，從而獲得穩(wěn)定的焊接過程。此外，能量密度閾值在一定程度上也受到保護(hù)氣體類型的影響。例如，使用激光焊接鋁合金N2氣體容易誘導(dǎo)小孔，使用He氣不能誘導(dǎo)小孔。這是因?yàn)镹2和Al放熱反應(yīng)和產(chǎn)生之間可以發(fā)生Al-N-O 三元化合物提高了激光吸收率。

3. 氣孔問題

鋁合金種類不同，產(chǎn)生的氣孔類型也不同。一般認(rèn)為，鋁合金在焊接過程中產(chǎn)生以下幾類氣孔。

1) 氫氣孔。鋁合金在氫環(huán)境中熔化后，其內(nèi)部氫含量可達(dá)0.69ml/100g以上。但凝固后，平衡狀態(tài)下的溶氫能力較多只有0.036ml/100g，兩者相差近20倍。因此，在從液體向固體轉(zhuǎn)變的過程中，必須沉淀液體鋁中多余的氫。如果沉淀的氫不能順利浮出，固體鋁合金就會(huì)聚集成氣泡，殘留成氣孔。

2） 保護(hù)氣體產(chǎn)生的氣孔。在高能激光焊接鋁合金的過程中，由于熔池底部小孔*金屬的強(qiáng)蒸發(fā)，保護(hù)氣體卷入熔池形成氣泡。當(dāng)氣泡在固體鋁合金中停留時(shí)，氣泡就會(huì)變成氣孔。

3） 孔坍塌產(chǎn)生的孔。在激光焊接過程中，當(dāng)表面張力大于蒸汽壓力時(shí)，孔不會(huì)保持穩(wěn)定和坍塌，金屬?zèng)]有時(shí)間填充形成孔。還有許多實(shí)際措施來減少或避免鋁合金激光焊接中的孔隙缺陷，如調(diào)整激光功率波形，減少孔隙不穩(wěn)定坍塌，改變光束焦點(diǎn)高度和傾斜照射，在焊接過程中施加電磁經(jīng)場和真空焊接。近年來，采用填充或預(yù)置合金粉末、復(fù)合熱源和雙焦技術(shù)減少孔隙生產(chǎn)的過程，效果良好。

4. 裂紋問題

鋁合金是一種典型的共晶合金，在激光焊接的快速凝固下更容易產(chǎn)生熱裂紋。AL-Si或Mg-Si低熔點(diǎn)共晶是裂紋的原因。為了減少熱裂紋，激光焊接可以通過填充或預(yù)置合金粉末進(jìn)行。通過調(diào)整激光波形，控制熱輸入也可以減少結(jié)晶裂紋。

三、鋁合金激光焊接的發(fā)展前景

鋁合金激光焊接較引人注目的特點(diǎn)是其高效率，充分發(fā)揮這種高效率是將其應(yīng)用于大厚度深熔焊接。因此，研究和使用大功率激光器進(jìn)行大厚度深熔焊接將是未來發(fā)展的必然趨勢。大厚度深熔焊突出了孔隙現(xiàn)象和對焊縫孔隙的影響，因此孔隙形成的機(jī)制和控制變得越來越多，將成為行業(yè)共同關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問題。

提高激光焊接標(biāo)是提高激光焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫成型，提高焊接質(zhì)量。因此，將進(jìn)一步完善和發(fā)展激光-電弧復(fù)合工藝、鋼絲填充激光焊接、預(yù)置粉未激光焊接、雙焦技術(shù)、光束整形等新技術(shù)。