隨著激光技術和鋁合金研制技術的發展，進一步開展鋁合金激光焊接應用技術基礎研究、開發鋁合金激光焊接新工藝，更有效地拓展鋁合金激光焊接結構的應用潛力，從而了解鋁合金激光焊接技術的應用現狀及發展趨勢就顯得尤為重要。

高強度鋁合金具有較高的比強度、比剛度、良好的耐腐蝕性、加工性和力學性能，已成為航空航天、船舶等載體領域不可或缺的金屬材料，其中飛機應用較廣泛。焊接技術在提高結構材料利用率、降低結構重量、實現復雜性和低成本制造方面具有獨特的優勢，其中鋁合金激光焊接技術是熱點。

與其它焊接方法相比，激光焊接光束的能量密度可達109W/cm2.同時具有加熱集中、熱損傷小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優點。焊接過程易于集成、自動化、靈活，可實現高速高精度焊接，無真空環境，無焊接過程X-ray，特別適用于復雜結構的高精度焊接。該技術在工業中的比例已成為衡量國家工業加工水平的重要標志。例如，空客A380飛機和奧迪A8車以激光焊接鋁合金結構的應用為先進標志。因此，激光焊接是鋁合金焊接技術的重要發展方向。

隨著材料技術的發展，各種高強度高韌性鋁合金，特別是第三代鋁鋰合金、新型高強度鋁合金，對鋁合金激光焊接技術提出了越來越高的要求，鋁合金的多樣性也帶來了各種激光焊接新問題，必須深入研究這些問題，更有效地擴大鋁合金激光焊接結構的應用潛力。

大功率激光器

激光焊接是一種將高強度激光輻射到金屬表面并通過激光與金屬之間的熱耦合形成焊縫的技術。根據激光焊接的熱作用機制，可分為熱導焊和深熔焊。前者主要用于精密零件的包裝焊接或微納焊接；后者在焊接過程中經常產生類似于電子束焊接的小孔效應，形成較大的深寬焊縫。激光深熔焊接所需的激光功率較高。目前，激光深熔焊接的大功率激光主要有四種類型，如表1所示。

CO2氣體激光的工作介質是CO2氣體，輸出10.6μm根據激光激發結構，波長激光分為橫流和軸流。CO雖然激光輸出功率已到150kW，但光束質量差，不適合焊接；軸流CO2激光具有良好的光束質量，可用于高激光反射率的鋁合金焊接，商用激光功率也達到25kW。A318飛機鋁合金下壁板采用CO雙光束激光焊接。

YAG固體激光工作介質為紅寶石、釹玻璃和釹鋁石榴石，輸出波長為1.06μm的激光。YAG激光比CO2激光更容易被金屬吸收，受等離子體影響較小。它是目前鋁合金結構焊接的主要激光器，具有靈活的焊接操作和良好的焊接位置可達性。Nd:YAG固體激光在高功率運行過程中輸入能量，導致激光腔溫度升高，導致激光熱透鏡效應YAG激光功率和光電能轉換效率低。近年來，用半導體泵和激光泵取代光泵固體激光器，不僅提高了光束質量，而且顯著提高了能量轉換率和泵燈的使用壽命，如近年來Yb:YAG Disc與光纖激光器相比，激光能量轉換效率達到20%。

YLR光纖激光是2002年以后發展起來的一種新型激光器。它以光纖為基質材料，與不同的稀土離子混合，輸出波長范圍為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，增加了泵的長度，提高了泵的效率，大大提高了光纖激光器的輸出功率。YAG 激光相比，YLR雖然光纖激光出現較晚，但具有體積小、運行成本低、光束質量高等優點，激光功率高；如圖1所示，激光功率可達50kW。可見光纖激光的出現顯著提高了焊接熔深和焊接速度。BIAS針對AA6082鋁合金激光焊接對比研究結果表明，采用5082鋁合金m/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光纖焊接速度為6m/min，焊縫熔深為12mm，焊接3mm厚板較大焊接速度為20m/min，而且功率與束流質量的協調限制減小，接近電子束焊接特性，可焊接2000和7000系列難焊鋁合金。根據英國激光協會的調查統計（Dr. J. Powell and Prof. W.M.Steen），熱點光纖激光焊接與鋁合金厚板激光焊接、德國激光焊接研究BAM 研究所(20 kW）、BIAS 研究所(17 kW）和IPG 公司（30 kW）還在研究鋁合金厚板激光焊接，激光深熔焊接可達25mm。

鋁合金激光焊接結構的應用研究

自20世紀90年代以來，隨著科學技術的發展和大功率高亮度激光器的出現，激光焊接技術的集成、智能、靈活、多樣化越來越成熟，國內外更加關注激光焊接在鋁合金結構各領域的應用。

德國德國的高端車Audi、Golf、Passat其他品牌采用鋁合金屋頂激光焊接結構，從1999年到汽車底盤和車身，基于激光焊接和激光電弧復合焊接技術的綜合利用，該技術很好地解決了小厚度結構焊接變形的問題，以及截面和端部焊接的缺陷控制。目前，激光焊接技術已成為汽車制造的標準化工藝，遍布車頂、車身、框架等鈑金結構，寶馬、通用汽車在框架頂部采用激光焊接，德國奔馳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是鋁合金。我國一些汽車制造商在一些新車型中采用了激光焊接技術。隨著鋁合金厚板激光焊接技術的發展，激光焊接將應用于裝甲車結構。

為了實現輕量化制造，鋁合金三明治結構激光焊接在船舶和高速列車結構制造中的應用和研究是目前研究的熱點。英國焊接研究所是日本高速鐵路制造商Nippon Sharyo高速列車墻板采用三明治鋁合金激光焊接結構mm厚的AA6063軋板采用光纖激光電弧復合焊接實現各種形式的接頭焊接，其中激光器為IPG 10 kW填充材料為光纖激光ER5356 焊絲，焊接激光功率4~5kW。AlCAN-Transrapid高速列車鋁合金車頂結構也用激光焊接代替MIG焊接，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中重要的金屬結構材料，因此日本、美國、英國、德國等發達國家非常重視鋁合金激光焊接技術的研究。英國焊接研究所成功使用了4個kW的Nd:YAG進行了激光填絲焊AA2014鋁合金帶筋壁板的雙光束YAG激光焊接直徑為1.2mm的ER2319 鋁合金焊絲質量好，焊接變形小于TIG 焊。Gobbi研究機翼下的鋁合金油箱CO2激光焊接，接頭孔嚴重，采用YAG激光焊接可獲得高質量的焊接接頭。和BIAS、Fraunhofer經過10年的合作，經過10年的努力，2003年在德國和法國實現了航空公交零部件制造商A318客機鋁合金下壁板結構雙光束CO激光填絲焊及YAG焊接速度為4~10m/min，這種焊接鉚接結構將減輕飛機近20%的機身重量，降低 成本約為20%，已應用于A318、A380和A如圖2所示，340系列飛機的壁板結構焊接也將在未來應用。A焊接350飛機壁板，壁板數量將達到18塊，焊縫總長度將達到1萬塊m。隨著光纖激光焊接技術的發展，光纖激光焊接和激光電弧復合焊接技術已被列為鋁合金焊接技術的重點，特別是厚板焊接和異種金屬焊接，如美國NALI民機和項目F光纖激光焊接和激光電弧復合焊接技術正在研究飛機發動機燃燒室結構。

鋁合金激光焊接的特點

與常規熔化焊相比，鋁合金激光焊接加熱集中，焊縫深寬比大，焊接結構變形小，但也存在一些不足。綜上所述：（1）激光聚焦點直徑小，工件焊接裝配精度要求高，裝配間隙和錯邊量一般小于0.1mm或板厚的10%增加了復雜三維焊縫焊接結構的實施難度；（2）由于鋁合金在室溫條件下對激光的反射率高達90%，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雙閾值。激光功率密度和線能共同限制了焊接過程中的熔池行為，較終體現在焊縫的成形特性上。通過焊縫成形特性參數的背寬比，可以評價全熔焊縫的工藝優化；（3）鋁合金熔點低，液體金屬流動性好，在大功率激光的作用下產生強烈的金屬蒸發。焊接過程中小孔效應形成的金屬蒸汽/光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定，焊縫容易產生氣孔、表面坍塌、咬邊等缺陷；（4）激光焊接加熱速度快，焊縫硬度高于電弧，但由于鋁合金激光焊接中合金元素的燃燒，影響合金的強化，鋁合金焊縫仍存在軟化問題，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，提高焊接接頭的性能。

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、表面坍塌和咬邊，其中表面坍塌和咬邊缺陷可以通過激光填充線焊接或激光電弧復合焊接來改善；焊縫氣孔缺陷控制困難。現有研究結果表明，鋁合金激光深熔焊有兩種特征氣孔，一種是冶金氣孔，與電弧熔焊一樣，由于材料污染或空氣侵入而引起的氫氣孔；另一種是工藝氣孔，是由于激光深熔焊過程中固有的小孔波動不穩定引起的。在激光深熔焊過程中，由于液體金屬的粘附作用，小孔往往滯后于光束移動，其直徑和深度受等離子體/金屬蒸汽的影響而波動。隨著光束的移動和熔池金屬的流動，由于熔池金屬的流動，未熔化的深熔焊在小孔的尖端出現氣泡，而全熔化的深熔焊在小孔的腰部出現氣泡。當氣泡隨著液體/金屬蒸汽的流動而遷移或逃逸時，應考慮到熔池*焊接過程的穩定性。

（1）焊前處理。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。表面處理方法通常包括物理機械清洗和化學清洗。近年來，激光沖擊清洗已經出現，這將進一步提高激光焊接的自動化水平。

（2）優化和控制焊接工藝參數的穩定性。鋁合金激光焊接工藝參數通常主要包括激光功率、離焦量、焊接速度、氣體保護的成分和流量。這些參數不僅影響了焊接區域的保護效果，而且還影響了激光深熔焊接工藝的穩定性，從而影響了焊接孔。通過鋁合金板激光深熔焊，發現孔穿透穩定性影響熔池的穩定性，進而影響焊縫形成，導致焊縫孔缺陷，激光深熔焊接穩定性與激光功率密度和線量匹配有關，因此確定合理穩定焊縫形成的工藝參數是有效控制鋁合金激光焊縫孔的有效措施。研究結果表明，采用焊縫背面寬度與焊縫表面寬度（焊縫背面寬度）的比例，評價鋁合金板焊縫的形成及其穩定性。當薄板激光焊接激光功率密度與線能量合理匹配時，可保證焊縫背面寬度的一定比，并能有效控制焊縫孔。

（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個熔池的焊接過程。焊縫孔形成的主要原因之一是激光深熔焊接過程中小孔內的氣體瞬間關閉。雙光點激光焊接時，由于兩束光源的作用，小孔開口大，有利于內部金屬蒸氣的逃逸和小孔的穩定性，從而減少焊縫孔。A356、AA5083、2024 和5A90鋁合金激光焊接研究表明，雙光點激光焊接可顯著降低焊縫氣孔。

（4）激光電弧復合焊接。激光電弧復合焊接是將激光和電弧作用于同一熔池的焊接方法。一般來說，以激光為主要熱源，利用激光與電弧的相互作用，提高激光焊接的熔深和焊接速度，降低焊接裝配精度。利用填充焊絲調節焊接接頭的組織性能，利用電弧的輔助作用提高激光焊接孔的穩定性，有利于降低焊接孔。在激光電弧復合焊接過程中，電弧影響激光過程誘發的金屬蒸汽/等離子體云，有利于激光能量的吸收和孔的穩定性。鋁合金激光電弧復合焊縫的研究結果也證實了其效果。

(5) 光纖激光焊接。激光深熔焊接過程中的小孔效應源于激光作用下金屬的強蒸發。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節，從而提高焊接過程穩定性。由此已衍生出很多新技術新工藝，如焊前激光清理、焊接工藝參數背寬比控制優化、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。