久益环球（天津）装备制造有限公司 天津 300308
摘要：近年来，激光焊接技术取得了飞速发展，被越来越广泛地应用到制造业中。与以往的焊接技术相比，激光焊接技术有明显的优势，正逐步取代传统的焊接工艺。铝合金激光焊接工艺推动了工业的发展，为经济发展作出了极大的贡献。
关键词：铝合金；激光焊接；技术应用
1铝合金激光焊接中存在的质量问题
1.1小孔诱导和稳定
在对铝合金进行激光焊接时，当激光的能量密度超过3.5[×]106W/cm2时会生成离子体，焊接就选取深度熔焊的方式。焊接中出现小孔，能在很大程度上增加金属材料对激光的吸收率，使得焊件能快速熔合，取得较好的焊接效果。但在铝合金激光焊接中，因为铝合金和激光束的特性，要注意小孔的诱导和稳定问题。由于铝在常温环境下对激光束的反射率较高，若想在铝合金上产生小孔，就需要较大的激光能量密度阈值。这个阈值非常关键，当激光的输入功率超过阈值时，激光能量辐射会使金属发生较为强烈的蒸发现象，形成凹槽。激光束能深入铝合金的内部，使焊缝的深度变大。不同的铝合金，阈值的大小也不一样。因此，在焊接中要选择合适的机型。
1.2气孔问题
铝合金激光焊接过程中，产生的气孔又分成氢气孔和匙孔塌陷两种。氢气孔产生方面，铝合金在高温环境的作用下会发生氧化反应，在表面生成一层三氧化二铝保护膜。这层膜会吸收空气中的水分，在激光束的照射下，吸收的水分会发生分解现象。水被分解成氢，产生的氢会溶解到液态的铝中。铝合金发生瞬时凝固时，液态瞬间向固态转变，由于氢在液态和固态中的溶解程度不同，液态铝中的氢在上浮的过程中容易形成氢气孔。匙孔塌陷方面，焊接小孔存在着自身重力，在大气压强的作用下，处在一个平衡的状态，当这种平衡被打破的时候，液态金属不能及时填充会导致空洞出现。在用激光进行焊接时，冷却的速度非常快，出现的气孔问题比较严重，因为小孔塌陷也会引起空洞产生。
2铝合金激光焊接应用与发展
2.1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。
第三种是产品承受外力载荷的电池托盘，目前主要由铝合金型材拼接的底板和型材边框组成，型材壁厚2mm左右，底板拼接厚度5~8mm，底板与边框采用MIG焊，部分产品采用铸造铝合金来获得底板与边框一体结构。受制于MIG焊和搅拌摩擦焊较低的效率、较大的变形，以及搅拌头的耗材成本投入，生产厂家希望引入高效率、高质量的激光焊接技术。但是，电池托盘结构相对复杂，产品设计对激光焊接工艺特性考虑不足，底板拼焊对接头强度要求较高，诸多因素限制了激光焊接技术的应用。目前，相关铝合金激光焊接技术开发主要在科研院所和部分产品设计厂家进行。
第二种与第三种产品由于板料厚度较大、6系铝合金材料存在裂纹倾向，因此可以采用激光填丝焊或者激光电弧复合焊工艺，除了激光焊接工艺本身面临的难题，激光焊接的接头质量以及激光焊接产品质量的检测评估方法和标准还有待同步开发。
2.2新能源汽车车身铝合金激光焊
铝合金激光焊接技术在汽车车身上应用最成熟的是激光钎焊与车门激光熔焊。铝合金激光钎焊主要应用于铝合金车顶与侧围焊接、铝合金行李箱盖焊接，在合资品牌凯迪拉克CT6、自主品牌蔚来ES8等车型均有应用。激光钎焊对激光头的功能要求很高，除了焊丝的指向性，还需要具备焊接过程中寻位、根据样件起伏调节焦点与焊丝位置、监测焊后焊缝表面质量等，以满足车顶、行李箱盖等外观件对高表面质量的需求。铝合金车门激光熔焊应用较普遍，通常使用扫描振镜焊接头实施，包括搭接穿透焊接与搭接角焊缝焊接，由于液态铝表面张力低，且板料厚度相对较薄（1.2mm左右），因此实际应用中容易出现焊穿、突刺等成形不良的问题。基于此，提升批量生产制造中的焊接质量是铝合金激光焊接需要考虑的应用要素。
2.3轨道交通列车铝合金车体激光焊
近年来，我国轨道交通制造业发展迅速，随着高速列车发展，列车车体用材料朝着轻质化、免维护发展，目前主要包含碳素钢、不锈钢、铝合金等。其中，不锈钢叠层激光焊接技术已经被应用于地铁生产制造中，取代电阻点焊方法。关于碳素钢激光焊，中车唐山机车车辆公司与中国科学院上海光学精密机械研究所合作，开发碳素钢激光焊接技术，目前在等厚、不等厚、T形接头激光焊接方面已经实现工艺突破，并完成侧墙结构件试制。车体铝合金材料主要采用搅拌摩擦焊技术，材料以6系铝型材为主。在铝合金激光焊接方面，中车四方机车车辆股份有限公司针对高速磁浮长大薄壁铝合金车身中的地板、车顶、侧墙三大部件，以及夹层端板组成等中小部件开展了激光电弧复合焊接技术的研发与样件试制，实现了激光电弧复合焊接技术在时速600km/h高速磁浮列车中的开创性应用。采用激光焊接明显提高了车体制造精度，提升了生产效率，降低了后续加工及维护等生产成本，具有广阔的推广应用前景。
结束语
铝合金激光焊接技术的应用与发展取决于铝合金材料、激光焊接工艺与焊接设备的创新，通常需要根据实际应用特点进行专门的工艺研发、性能评估与装备搭建，特别是轨道列车、航空飞机等大尺寸结构件，从技术研究到生产应用需要数年甚至十几年时间。当前，铝合金激光焊接技术主要应用在材料焊接性相对较好、服役条件相对简单的情况下。
参考文献：
[1]邹吉鹏，李连胜，宫建锋，等.铝合金厚板激光扫描填丝焊接气孔抑制[J].焊接学报，2019，4（10）：43-47，66.
[2]韩晓辉.青岛地铁11号线首车下线，激光焊接技术助推城轨车辆升级换代[J].金属加工（热加工），2017（4）：8-9.
作者简介：
韩义（1975.2-），男，汉族，天津，大学本科，工程师，研究方向：焊接工艺及热处理。