隨著激光技術和鋁合金研製技術的發展，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(cong) 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(wei) 重要。

高強鋁合金具有較高的比強度、比剛度，良好的耐腐蝕性能、加工性能和力學性能, 已成為(wei) 航空航天、艦船等載運領域結構輕量化製造不可或缺的金屬材料，其中飛機應用最多。焊接技術在提高結構材料利用率、減輕結構重量、實現複雜及異種材料整體(ti) 結構低成本製造方麵獨具優(you) 勢，其中鋁合金激光焊接技術是倍受關(guan) 注的熱點。

與(yu) 其他焊接方法相比，激光焊接同時具有加熱集中、熱損傷(shang) 小、焊縫深寬比大、焊接變形小等優(you) 勢，焊接過程易於(yu) 集成化、自動化、柔性化，可實現高速高精度焊接，特別適合複雜結構的高精度焊接。

隨著材料技術的發展，各種高強高韌鋁合金不斷推出，尤其是第三代鋁鋰合金、新型高強鋁合金的出現，對鋁合金激光焊接技術提出了更多更高的要求，同時鋁合金的多樣性也帶來了各種各樣的激光焊接新問題，所以必須深入研究這些問題，才能更有效地拓展鋁合金激光焊接結構的應用潛力。

大功率激光器

激光焊接是將高強度激光輻射至金屬表麵，通過激光與(yu) 金屬間熱力耦合作用使金屬熔化再冷卻結晶形成焊縫的技術。根據激光焊接的熱作用機製可分為(wei) 熱導焊和深熔焊兩(liang) 種，前者主要應用於(yu) 精密零件的封裝焊接或微納焊接；後者在焊接過程中往往產(chan) 生類似於(yu) 電子束焊接的小孔效應，形成深寬比較大的焊縫。激光深熔焊接實現需要的激光功率高，該技術目前應用於(yu) 激光深熔焊接的大功率激光主要有4種類型，其特點如表1所示。

1、CO2氣體(ti) 激光

工作介質為(wei) CO2氣體(ti) ，輸出10.6μm波長激光，按激光激發結構形式分為(wei) 橫流和軸流兩(liang) 種。橫流CO2激光輸出功率雖已達150kW，但光束質量較差，不適合焊接；軸流CO2激光具有較好的光束質量，可用於(yu) 對激光反射率高的鋁合金焊接。

2、YAG固體(ti) 激光

工作介質是紅寶石、釹玻璃和摻釹釔鋁石榴石等，輸出波長為(wei) 1.06μm的激光。YAG激光比CO2激光更易於(yu) 被金屬吸收，並且受等離子體(ti) 影響較小，為(wei) 光纖傳(chuan) 輸，焊接操作靈活，焊縫位置可達性好，是目前鋁合金結構焊接的主要激光器。

3、YLR光纖激光

是2002年以後發展起來的新型激光器，以光纖為(wei) 基質材料，摻雜不同的稀土離子，輸出波長範圍在1.08μm左右，也是光纖傳(chuan) 輸。光纖激光革命性地采用了雙包層光纖結構，增加了泵浦長度, 提高了泵浦效率，從(cong) 而使光纖激光器的輸出功率大幅提高。與(yu) YAG 激光相比，YLR光纖激光雖然出現較晚，但具有體(ti) 積小、運行成本低、光束質量高等優(you) 點，而且獲得的激光功率高。

鋁合金激光焊接結構的應用研究

自20世紀90年代，隨著科學技術的發展，大功率高亮度激光器的出現，激光焊技術集成化、智能化、柔性化、多樣化發展日趨成熟，國內(nei) 外更加關(guan) 注激光焊在各領域鋁合金結構中的應用。目前，我國一些汽車製造廠家已經在部分新車型中采用激光焊接技術，隨著鋁合金厚板激光焊接技術的發展，激光焊接未來將應用於(yu) 裝甲車結構。

為(wei) 了實現輕量化製造，在艦船和高速列車結構製造中，鋁合金三明治結構的激光焊接應用與(yu) 研究是目前的研究熱點。鋁合金是航空航天結構重要的金屬結構材料，因此在日本、美國、英國、德國等發達國家十分重視鋁合金激光焊接技術研究。

隨著光纖激光焊接技術的發展，目前先進國家的航空製造領域已將光纖激光焊接和激光電弧複合焊接技術列為(wei) 鋁合金焊接技術的重點，尤其是厚板焊接和異種金屬的焊接，如美國NALI項目針對民機和JSF飛機發動機燃燒室結構正在開展光纖激光焊接和激光電弧複合焊接技術的研究。

鋁合金激光焊接的特點

與(yu) 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，但是也存在一些不足，歸納起來有：

（1）激光聚焦光斑直徑細小導致工件焊接裝配精度要求高，通常裝配間隙、錯邊量需小於(yu) 0.1mm或板厚的10％，增大了具有複雜三維焊縫焊接結構的實施難度；

（2）由於(yu) 室溫條件下鋁合金對激光的反射率高達90%，因而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(jue) 於(yu) 激光功率密度和線能量雙閾值，激光功率密度和線能量共同製約著焊接過程的熔池行為(wei) ，並最終體(ti) 現到焊縫的成形特征上，對於(yu) 全熔透焊縫的工藝優(you) 化可通過焊縫成形特征參量背寬比進行評價(jia) ；

（3）鋁合金熔點低，液體(ti) 金屬流動性好，在大功率激光作用下產(chan) 生強烈的金屬汽化，在焊接過程中伴隨小孔效應所形成的金屬蒸汽/ 光致等離子體(ti) 雲(yun) 影響鋁合金對激光能量的吸收，導致深熔焊接過程不穩定，焊縫易於(yu) 產(chan) 生氣孔、表麵塌陷、咬邊等缺陷；

（4）激光焊接加熱冷卻速度快，焊縫硬度比電弧的高，但由於(yu) 鋁合金激光焊接存在合金元素燒損，影響合金強化作用，鋁合金焊縫仍然存在軟化問題，從(cong) 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製焊縫缺陷和提高焊接接頭性能。

鋁合金激光焊接缺陷控製技術

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、表麵塌陷和咬邊，其中表麵塌陷、咬邊缺陷可以通過激光填絲(si) 焊接或激光電弧複合焊接改善；而焊縫氣孔缺陷控製則比較困難。

現有的研究結果表明：鋁合金激光深熔焊接存在兩(liang) 類特征氣孔，一類為(wei) 冶金氣孔，同電弧熔化焊一樣，由於(yu) 焊接過程材料汙染或空氣侵入所導致的氫氣孔；另一類為(wei) 工藝氣孔，是由於(yu) 激光深熔焊接過程所固有的小孔不穩定波動所致。

在激光深熔焊過程中，小孔因液體(ti) 金屬粘滯作用往往滯後於(yu) 光束移動，其直徑和深度受等離子體(ti) /金屬蒸汽的影響產(chan) 生波動，隨著光束的移動和熔池金屬的流動，未熔透深熔焊接因熔池金屬流動閉合在小孔尖端出現氣泡，全熔透深熔焊接則在小孔中部細腰處出現氣泡。氣泡隨液體(ti) 金屬流動而遷移、翻滾，或逸出熔池表麵，或被推回到小孔，當氣泡被熔池凝固、被金屬前沿俘獲，即成為(wei) 焊縫氣孔。

顯然冶金氣孔主要靠焊前表麵處理控製和焊接過程合理的氣保護所控製，而工藝氣孔關(guan) 鍵就是保證激光深熔焊接過程小孔的穩定性。根據國內(nei) 激光焊接技術的研究，鋁合金激光深熔焊接氣孔控製應綜合考慮焊接前、焊接過程、焊接後處理各個(ge) 環節，歸結起來有以下新工藝和新技術。

1、焊前處理方法

焊前表麵處理是控製鋁合金激光焊縫冶金氣孔的有效方法，通常表麵處理方法有物理機械清理、化學清理，近年來還出現了激光衝(chong) 擊清理，這將進一步提高激光焊接自動化程度。

2、參數穩定性優(you) 化控製

鋁合金激光焊接過程工藝參數通常主要有激光功率、離焦量、焊接速度，以及氣保護的成分和流量等。這些參數既影響焊接區域的保護效果，又影響激光深熔焊接過程的穩定性，從(cong) 而影響焊縫氣孔。通過鋁合金薄板激光深熔焊接發現，小孔穿透穩定性影響熔池穩定性，進而將影響焊縫成形造成焊縫氣孔缺陷，而且激光深熔焊接穩定性與(yu) 激光功率密度與(yu) 線量匹配有關(guan) ，因此確定合理的穩定焊縫成形的工藝參數是有效控製鋁合金激光焊縫氣孔的有效措施。全熔透穩定焊縫成形特征研究結果顯示：采用焊縫背麵寬度與(yu) 焊縫表麵寬度之比（焊縫背寬比），評價(jia) 鋁合金薄板焊縫成形及其穩定性。當薄板激光焊激光功率密度與(yu) 線能量合理匹配時，可保證一定焊縫背寬比，並可有效地控製焊縫氣孔。

3、雙光點激光焊接

雙光點激光焊接是指兩(liang) 束聚焦激光束同時作用於(yu) 同一熔池的焊接過程中。在激光深熔焊接的過程中，瞬間閉合將小孔中的氣體(ti) 封閉在熔池中是焊縫氣孔形成的主要原因之一。當采用雙光點激光焊接時，由於(yu) 兩(liang) 束光源的作用，造成小孔開口較大有利於(yu) 內(nei) 部金屬蒸氣逸出，也有利於(yu) 小孔的穩定，從(cong) 而能減少焊縫氣孔。對A356、AA5083、2024 和5A90鋁合金激光焊接的研究均顯示：雙光點激光焊可顯著減少焊縫氣孔。

4、激光電弧複合焊接

激光電弧複合焊接是將激光與(yu) 電弧作用於(yu) 同一熔池的焊接方法。一般以激光為(wei) 主要熱源，利用激光與(yu) 電弧的相互作用，提高激光焊接熔深和焊接速度，降低焊接裝配精度。利用填充焊絲(si) 調控焊接接頭的組織性能，利用電弧的輔助作用改善激光焊接小孔的穩定性，從(cong) 而有利於(yu) 減少焊縫氣孔。在激光電弧複合焊接過程中，電弧影響激光過程誘發的金屬蒸汽/等離子體(ti) 雲(yun) ，有利於(yu) 材料對激光能量的吸收和小孔的穩定性。對鋁合金激光電弧複合焊接焊縫研究結果也證實了其效果。

5、光纖激光焊接

激光深熔焊接過程的小孔效應源於(yu) 激光作用下金屬產(chan) 生強烈汽化。金屬汽化蒸汽力與(yu) 激光功率密度和束流品質密切相關(guan) ，不僅(jin) 影響激光焊接的熔深，也影響小孔穩定性。Seiji. 等對SUS304不鏽鋼大功率光纖激光研究顯示：高速焊接時熔池拉長，抑製了飛濺，小孔波動穩定，小孔尖端無氣泡產(chan) 生，當光纖激光用於(yu) 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(ti) 控製技術研究顯示：通過控製焊接保護氣體(ti) 的位置，可防止氣體(ti) 的卷入，減少小孔閉合時間，穩定焊接小孔，並改變熔池的凝固行為(wei) ，從(cong) 而減少焊縫氣孔。

6、脈衝(chong) 激光焊接

與(yu) 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(chan) 生周期性穩定流動，有利於(yu) 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不鏽鋼和inconel 690高溫合金焊縫氣孔及性能的影響結果表明：對於(yu) 方波脈衝(chong) 激光焊接來說，當基值功率為(wei) 1700w時，隨著脈衝(chong) 幅值ΔP的增加，焊縫氣孔減少，其中不鏽鋼的氣孔率由2.1% 降至0.5%，高溫合金的氣孔率由7.1% 降至 0.5%。

7、焊後複合處理技術

在實際工程應用中，即使焊前進行了嚴(yan) 格的表麵處理，焊接過程穩定性較好，鋁合金激光焊接也會(hui) 不可避免地產(chan) 生焊縫氣孔，因此利用焊後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(nei) 部氣孔和縮鬆的方法之一，將其與(yu) 鋁合金激光焊後應力熱處理結合，形成鋁合金激光焊接構件熱等靜壓與(yu) 熱處理組成複合工藝，既消除焊縫氣孔，又改善接頭性能。

後記

由於(yu) 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，其主要問題就是控製焊縫氣孔缺陷，提高焊接質量。鋁合金激光焊縫氣孔工程化控製應綜合考慮焊接前、焊接過程、焊接後處理的各個(ge) 環節，從(cong) 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製優(you) 化、雙光束激光焊、激光電弧複合焊、脈衝(chong) 激光焊和光纖激光焊接等。