陶新宇，陈伟涛，尹文明，黄成成，宗成宝，张家勋
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东省青岛市，266000
摘要：长期以来，铝合金激光焊接是科研院所和企业持续进行技术研究和应用的难点和热点领域，随着市场对结构轻量化需求的持续增长，以及国产高功率激光器、激光头产品逐渐发展成熟，激光焊接系统成本呈现下降趋势。在此背景下，限制铝合金激光焊接应用扩大的关键瓶颈将由成本投入向焊接工艺转变，突破新型/难焊铝合金材料、以及厚板复杂结构在特定应用场合的激光焊接工艺将成为铝合金激光焊接技术的发展趋势和应用增长的动力源泉。
关键词：铝合金；激光焊接；焊接技术
引言
铝合金因质量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好以及低温性能好，被广泛应用于各种焊接结构产品。铝合金激光焊作为一种先进的新型焊接技术，因具有较高的能量密度、较深的穿透性、较高的精度、广泛的适应性等优点，被广泛应用于航空航天、轨道车辆、车辆工程等领域，受到了全世界越来越多的关注。
1铝合金激光焊特点
随着大功率、高性能激光焊机的不断出现，铝合金激光焊接技术得到了迅速发展，成为最有前景的铝合金焊接方法。这种方法在焊接热循环、化学冶金、生产效率以及焊缝成型等方面有明显的特征。铝合金激光焊具有如下4个优点。第一焊接比能小。焊接比能是指焊合单位表面所需的能量。对比激光焊、氩弧焊的焊接比能可以发现，铝合金激光焊的比能小，热影响区小。第二焊接变形小。聚焦后的激光束光斑直径很小，使得激光束在材料上的作用面积较小，热影响区相对较小，变形相对较小。第三生产效率高。激光光斑直径较小，功率密度较高，允许较高的焊接速度，焊缝质量好，生产效率较高。第四晶粒细小。在激光焊接过程中，焊缝峰值温度高，高温停留时间较短，冷却速度较快，过冷度较大，焊缝组织细小。由于铝合金的物理特性、化学成分以及自身结构特点，该方法也存在一些问题，主要表现在以下5个方面。第一反射率高。在光束入射表面初始温度较低的情况下，铝合金激光焊反射率非常高，随着温度的升高，铝合金表面熔化汽化，其吸收率迅速升高。第二易产生气孔。激光焊缝深而窄，且铝合金冷却速度快，气孔来不及溢出。第三焊接组装要求高。激光经聚焦后光斑直径很小，对于没有摆动功能的激光焊机，光束很容易在焊缝上发生偏移，容易导致焊缝成型不良。第四合金元素烧损。铝合金中的Mn、Mg、Zn等元素对激光的吸收能力强，会造成蒸发烧损，导致焊缝性能降低。第五焊接飞溅。铝合金对激光的反射效果明显，为了保证有效熔深，通常选用较大功率的参数进行焊接。高能量密度和较高峰值温度使大量的蒸汽在较短时间内通过较窄的空间时，容易产生飞溅，尤其是大功率脉冲激光焊表现最为明显。
2铝合金激光焊接技术发展
2.1石油管道
1）铝合金石油管道能够有效增加管道的直径及管壁的厚度，使管道在额定的时间里输送更多的油量。管道输送石油非常危险，容易发生泄漏现象，一旦发生泄露可能会造成不可估量的财产损失、人员伤亡、环境污染、水源污染等重大危害。2）铝合金管道焊接时，提升焊接质量、避免焊接缺陷是关键。3）激光焊接铝合金管道可以产生非常大的效益，同时可以有效地控制焊接质量。焊接时可以保证焊缝一次成形且焊接质量比较高，这样可以避免由于焊缝缺陷导致石油泄漏危害。
2.2新能源汽车铝合金电池壳激光焊
在新能源汽车产业，由于电池包重量增加对结构轻量化提出了更高的需求，所以与成本较高的碳纤维增强复合材料和密度较高的高强钢相比，铝及铝合金毫无疑问地成为各类电池壳结构的首选材料，从电芯壳体与极耳、模组与连接体，到电池托盘，铝合金板材、型材，以及铸造铝合金均获得了广泛应用。方壳电芯是铝合金激光焊接应用最普及的产品，包括壳体封口、防爆阀、极柱、注液孔及软连接等，所用材料包括纯铝和3系铝合金，焊接性良好，尤其在使用摆动激光焊接工艺下，形成几乎无缺陷、满足了密封条件的焊接接头。上述工艺采用常规光纤激光器与扫描振镜焊接头，即可实现高质量、高效率激光焊接。目前，已在市场上形成完备的定制化激光焊接生产线装备。新能源汽车电池模组与电池托盘个性化程度高，主要使用强度较高的6系铝合金，部分使用5系铝合金，当前主要采用MIG焊接工艺和搅拌摩擦焊技术。根据产品不同的需求和设计特点，大致存在三种类型。第一种是非承力模组电池壳，其特点是存在板厚≤1.5mm的铝合金板，并且对整体结构无密封要求，以搭接穿透焊、对接、搭接角焊等形式实施焊接，采用单激光或者摆动激光即可满足熔深、熔宽需求。此类产品要求相对简单，因此工艺难度不大，已经获得生产应用，主要由激光头厂家、激光系统集成商提供技术方案。但是，由于采用单激光焊，对产品装配间隙要求较高，所以焊接质量一致性受来料尺寸精度和装夹工序影响较大。第二种是产品有密封要求，某些要求须承受一定时间的保压压力条件，板料厚度通常在3~5mm，与铝合金型材组装，涉及到对接、角接、搭接等形式。由于产品尺寸与电池托盘相比较小，服役条件也相对较低，所以生产厂与使用方均有意将焊接工艺从MIG焊升级为激光焊。目前，处于激光焊接工艺探索与测试阶段，主要由科研院所、激光器供应商、零部件厂家合作实施。
2.3铝合金激光焊接技术在舰船建造中的应用
由于铝合金材料密度小，更轻巧，在减轻船舶重量的同时降低了船舶的重心，有利于提高船只行驶的安全性和稳定性。因此在一些如游艇、邮轮、潜水艇、渔船等船舶上得到普遍的应用。激光焊接在船只制造业的应用也相对普遍，由于船体体积较大，因此焊接在造船业起到了较大作用，采用激光焊接有利于获得高强度的焊接件，从而减少所使用铝合金的厚度，达到轻量化和高强度的目的。美国计算出，采用激光焊接技术建造的航空母舰可以节省200吨重的，事实上，当你今天在欧洲建造这些大型游轮时，激光焊接的应用率已经超过20％，未来目标使用率达到50％。
2.4飞机铝合金壁板结构激光焊
航空飞机轻量化对减少燃油消耗、提升续航里程、延长飞机寿命等具有重要作用。与钛合金、碳纤维复合材料相比，铝合金成本相对较低，因此在飞机机身制造中，铝合金应用占有较大的比例，主要以7系、6系、2系铝合金为主。在机身壁板蒙皮与桁条连接应用中，传统方法使用铆接技术，蒙皮与桁条采用搭接结构。由于铆钉与桁条搭接边产生了额外的重量，并且生产效率较低，所以将桁条与蒙皮改为T形结构，并且通过左右两侧分别同步实施激光填丝焊，取代搭接边与铆钉，对减轻机身重量、提高连接效率、降低制造成本效果明显。比如，空客A380机型中8张壁板采用双侧激光同步焊接技术制造，降低机身重量10%。
结语
综上所述，虽然铝合金焊接存在工艺繁杂、加工难度较大的问题，但是随着铝合金在工业化进程中需求量越来越大、在生活所扮演的的角色也越来越重要，随着这激光焊接技术的迅速发展，新焊接技术在航空航天焊接生产中的应用将得到迅速发展。焊接自动化和高质量、高可靠性的保证能力将是21世纪焊接技术的基本要求。因此在对铝合金的焊接工艺进行改进优化时要全面考虑成本、方法的先进程度以及焊接效率等，以求最大限度的抑制气孔、裂纹产生，控制接头的缺陷，形成良好的焊缝具备优良的整体结构性能。
参考文献
[1]张振华.钛/铝异种金属复合接头搅拌摩擦焊工艺及连接机制[D].江苏：南京航空航天大学，2014.
[2]陈国庆，柳峻鹏，树西，等.铝合金焊接工艺的研究进展[J].焊接，
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