骆杰泽
天津市顺程泰建设工程有限公司 天津 300381
摘要：铝合金具有强度高、耐腐蚀性好、材料种类广等优点，是一种优良的轻型结构材料，在汽车、轨道交通、航空航天和船舶等行业得到了广泛应用。近年来，激光焊接作为一种高效、低热输入、高柔性的高质量焊接技术在国内市场得到了越来越多的重视和应用。铝合金激光焊接技术的应用和发展主要受三个因素的影响：一是需提高材料的可焊性和较强的塑性及耐腐蚀性，以满足应用条件。二是激光焊接技术的成熟度研究和焊接质量评价。三是激光焊接设备，包括激光的快速发展以及激光束输出形式、控制方式的多样化等。在此基础上，根据不同行业、不同场景的应用要求，可供选择和匹配的激光焊接系统在成本和技术上具有更大的灵活性和适用性。
关键词：铝合金激光焊接；焊接工艺；申请状态；发展趋势；
1铝合金激光焊接的特点
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发展迅速，已成为铝合金最有前途的焊接方法。该方法在焊接热循环、化学冶金、生产效率和焊缝成形等方面具有明显的特点。铝合金激光焊接具有以下优点：第一次焊接比能量较小。焊接比能是焊接单元表面所需的能量，通过比较激光焊接和氩弧焊的比能量，发现铝合金激光焊接的比能量和热影响区较小。二次焊接变形小。聚焦激光束光斑直径很小，使激光束在材料上的面积较小，热影响区较小，变形较小。三是生产效率高。激光光斑直径小，功率密度高，焊接速度允许高，焊缝质量好，生产效率高。激光焊接过程中，焊缝峰值温度高，高温保持时间短，冷却速度快，过冷度大，焊缝组织小。由于铝合金的物理特性、化学成分和组织等原因，该方法存在一些问题，主要表现在以下几个方面：第一、反射率高。当激光束初始温度较低时，激光焊接的反射率很高。随着温度的升高，铝合金表面熔化、蒸发，其吸收速率迅速增加。第二、焊接气孔。激光焊接焊缝深而窄，铝合金冷却速度快，气孔没有时间溢出。第三、焊接装配要求高。激光聚焦后的光斑直径很小，由于激光焊机没有摆动功能，光束容易在焊缝上偏移，容易造成不良的焊缝形状。第四、合金元素的燃烧。铝合金中的MN、MG、Zn等元素对激光有较强的吸收能力，会造成蒸发损失，降低焊缝性能。第五、焊接飞溅。为了保证铝合金的有效熔深，通常采用大功率参数进行焊接。高能量密度和高峰值温度使大量蒸汽在短时间内容易通过狭窄的空间，尤其是高功率脉冲激光焊接最为明显。
2铝合金激光焊接技术发展现状
2.1铝合金激光自熔焊
铝合金激光焊接，铝合金表面对激光的初始反射率高，激光功率大，光斑直径小，工件对中心和间隙的适应性差，焊接过程中需要对焊接夹具和光束进行精确调整，加热和冷却速度快，再加上小孔效应，导致合金元素的蒸发和焊接气孔的缺陷，激光能量的集中和小孔效应导致合金元素的挥发和燃烧，容易引起焊缝凹陷和咬边。对于板料薄壁构件，由于成形精度难以精确控制，焊接装配间隙大，不可避免地存在一定的误差，这些都给激光自熔焊技术在铝合金薄壁结构中的推广应用带来了困难。针对铝合金激光自熔焊的上述特点，激光自熔焊技术一般只用于较薄结构的封接，对焊接质量没有要求。
2.2铝合金激光填丝焊接
与激光自熔焊相比，激光填丝焊可以放宽对焊接工艺的要求。通过填充不同成分的焊丝，改善了焊缝的组织和力学性能，改变了焊缝金属的流动特性，改善了焊缝成形，抑制了气孔、裂纹等缺陷。采用低功率激光窄焊道实现厚板多层焊接。激光填丝的效率与传统自焊相当，选择合适的工艺参数后，填丝效率高于激光自焊。
2.3搅拌摩擦焊
自1991年发现搅拌摩擦焊以来，搅拌摩擦焊在轻合金焊接领域具有许多优于传统熔焊方法的优点。
在焊接过程中，材料未达到熔点很难产生气孔、裂纹等缺陷，不产生烟雾、飞溅和辐射，不危害焊工健康。但焊接接头存在坡口、飞边、气孔、未焊透等缺陷。
2.4激光焊接
激光焊接作为高能束焊接，具有功率密度高、焊接热输入小、焊接热影响区小、焊接变形小等优点。另外，激光焊接属于非接触焊接，不受电磁干扰，可在大气中焊接。然而，由于铝合金的高反射率、良好的热导率和等离子体的屏蔽作用，在焊接过程中不可避免地会产生气孔和热裂纹等缺陷。孔晓芳采用5087焊丝作为填充材料，采用光纤激光焊接5083铝合金，厚度4mm，焊缝组织为细柱状晶，点析出物分布均匀，不连续。热影响区没有明显的晶粒长大，有部分析出物析出。焊缝和母材的显微硬度相似，但热影响区软化不明显。徐良红焊接高强度铝合金2519-T87，分析了其显微组织和力学性能。结果表明，焊缝组织细小，晶界共晶相均匀分布，呈短棒状，时效后焊缝中有大量细小相，熔合线附近无等轴区，抗拉强度可达母材的74%。
2.5电子束焊接
由于电子束能量密度高、深宽比大，对于厚试样的焊接可以一次形成电子束焊接，整个焊接过程都是在真空条件下进行的，因此基本避免了铝合金外部产生的氢孔缺陷，对于铝合金与铝合金板的焊接具有独特的优势。但由于铝合金的特性，焊接过程中有飞溅，接头成形不良，接头处有气孔和裂纹，电子束焊接有自身的钉尖和冷绝缘缺陷，需要通过研究加以控制。哈尔滨工业大学对25mm厚2A12铝合金板接头的组织与性能进行了研究，结果表明，在保证熔深的前提下，通过高速焊接和增加扫描技术，可以明显提高接头质量。焊缝中强化相为s+相，液态焊缝金属结晶不均匀，接头强度为383MPA，接头在熔合区断裂，断裂机制为脆性-晶间韧性韧窝混合断裂。
3铝合金激光焊接的发展前景
日本、德国等发达国家已开始将激光焊接铝合金应用于汽车工业。铝合金具有强度高、耐腐蚀、热稳定性好、易成形、重复性好、结构简单等优点，在汽车工业中受到青睐。大量的对比研究和反复实践证明，铝合金材料的选择是实现汽车轻量化的有效途径。减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率是解决节能环保问题的最有效措施。激光焊接技术具有焊接效率高、热影响区小、接头质量好等优点。在铝合金受到汽车工业青睐的情况下，铝合金激光焊接技术将越来越成熟，并将在造船工业和航空航天工业中得到推广。事实上，欧洲空中客车公司已经开始采用激光焊接铝合金零件来取代传统的铆接技术，这种焊接方法自动化程度高，质量稳定，能够满足载人航天和可重复使用航天器焊接结构的可靠性要求。可以预见，铝合金激光焊接技术将成为近年来航空航天焊接领域研究的热点之一。
4结论
铝合金激光焊接技术的应用和发展有赖于铝合金材料、激光焊接技术和焊接设备的创新，通常需要进行特殊工艺的研究和开发，性能评估和设备建设根据实际应用特点，特别是对于轨道列车、飞机等大型结构件，从技术研究到生产可能需要数年甚至十几年的时间。目前，铝合金激光焊接技术主要应用在焊接性较好、使用条件相对简单的情况下。航空用新型铝锂合金和高强度7系铝合金的激光焊接面临着更为复杂的焊接冶金问题，而船舶、压力容器等工业用铝合金厚板结构的激光焊接则需要解决工艺和设备问题。如何实现可焊性较差的铝合金高性能激光焊接和复杂结构铝合金厚板的高效激光焊接是铝合金激光焊接技术的发展方向。焊接设备的国产化、产品的稳定性和焊接应用的适应性是铝合金激光焊接技术的另一个发展方向。
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