摘要：文章簡要說明鋁合金的應用特性及焊接特性，從焊接準備，加焊縫保護氣，采用雙光斑激光焊，激光填絲焊或激光-MIG復合焊，工藝參數調節等方面說明鋁合金激光焊的質量保障方法，工業生產中還可以借助現有的高端激光頭來穩定焊接質量。
關鍵詞：鋁合金；焊接；激光焊；雙光斑；復合焊
1、鋁合金應用特性
鋁合金因材質輕，耐腐蝕，低溫性能和機械綜合性能好而廣泛應用于航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業等眾多領域。隨著近年國家對節能經濟的追求，鋁合金的需要又上了一個臺階。目前，汽車行業中適用鋁合金主要有Al-Mg (5000 系列 )、Al-Mg-Si(6000 系列)及Al-Mg-Zn(7000系列) 三大系列，汽車外殼多用耐蝕可焊的5000 系合金，而梁柱等強度要求較高的部位則用 6000 系或 7000 系合金。研究表明，采用鋁合金材料適當減輕汽車的重量可以把油耗降低37%；懸掛裝置的負荷降低18%；振動強度降低5%。在各大汽車廠加大對鋁合金加工研發與制造投入的同時，鋁合金的焊接又成為一個不得不解決好的基礎問題。
2、鋁合金的焊接特性
目前，主要采用TIG焊、MIG焊等常規方法來焊接鋁合金。采用常規方法焊接，熱輸入量大導致焊縫寬大且熔深較淺，鋁合金導熱快，冶金時高溫溶解大量的氫來不及溢出產生氫氣孔(溶入熔池中的氫析出形成的氣孔，稱為冶金氣孔；未完全熔化的氧化膜中的水分因受熱分解析出氫形成的氣孔，稱為氧化膜氣孔)；由于冶金速度快焊縫金屬晶粒粗大，焊接接頭軟化可使強度減少達到40%；鋁合金熔點低而導熱快，熔融金屬流動性差而使焊縫成型不美觀；受熱面積大，加工材料容易變形而影響加工尺寸精度。鋁合金常規焊接質量難以保障，且焊接速度難以滿足批量生產要求。
圖1 鋁合金焊接時氧化膜氣孔(左)和冶金氣孔(右)
隨著激光加工應用普及化水平的提升，采用激光焊接鋁合金，熱輸入量小且熱源集中，特別是光纖激光器問世后，激光焊接鋁合金的能量密度更加集中，激光波長更短，高反射得到改善。通過激光填絲，激光-MIG復合焊，雙光斑激光焊等工藝，可明顯改善鋁合金焊接的成型效果，且焊接質量得到改善。
圖2 鋁合金焊接時對應焊材的選擇參考表
無論是何種焊接方法，鋁合金焊接前準備工作是必不可少的，對鋁合金的焊接質量影響很大。焊接前對鋁合金件表面進行無水酒精或丙酮擦試，以清除表面所吸附的水或油等雜質。為防止工件在空氣中被氧化，需要對工件進行機械打磨或化學處理并烘干，以盡快完成焊接。為了加快鋁合金焊接時的熔池流動性，可以在鋁合金工件焊接背面加墊銅板以改善焊縫成型。焊接時，采用Ar氣保護，隔絕空氣，能減小氣孔的產生。
3、激光焊鋁合金優化質量具體措施
鋁合金激光焊接開始時，存在高反射現象，嚴重影響材料對激光能量的吸收，而波長越短，材料對光的吸收就越好，因此，光纖激光比CO2激光對鋁合金的吸收要好。光纖激光的光束模式也會比CO2激光好，能量密度更加集中。一旦材料開始吸收光能，對液態金屬對光的反射率就明顯下降。
采用雙光斑激光焊，能夠明顯改善氣孔率，主要是因為采用雙光束進行焊接時，兩束光形成一個相對較大的匙孔，提高了匙孔的穩定性，有利于氣體的逸出；相比于串行雙光束，采用并行雙光束焊接時，熔池內部溫度梯度更小，降低了液態金屬凝固速度，延長氣泡的逸出時間，有利于減小氣孔傾向；并行雙光束激光焊也能提高送絲的穩定性，對穩定焊接質量有利。
圖3 雙光斑激光獲得的原理圖(左)及能量密度分布圖(右)
圖4 并行雙光束激光焊模型
圖5 串行雙光束激光焊模型
采用激光填絲焊，相比鋁合金激光自熔焊，能夠得到更好的成型。激光填絲焊能夠兼容激光焊的高能量密度和填絲焊的高橋接能力，對于有一定間隙的焊縫，能夠保證良好的成型效果。而且通過不同的填充材料的選擇，可以對母材進行不同的化學冶金，起到一定合金元素補充且強化的功效。
采用激光復合焊，通過激光與電弧的復合，能夠有效消除激光焊形成的等離子體的影響。通過光絲間距、吹氣、焊槍角度等參數的調節，能夠獲得美觀的焊縫，而且對于厚板無需開坡口或只需開小坡口就可以形成良好的焊縫。
單激光焊激光-MIG復合焊
圖6 單激光焊與激光-MIG復合焊模型比較
采用功能強大的激光頭，能夠穩定焊接質量。隨著激光加工的深入開發，功能越來越強大的激光頭得到快速的應用。目前由Scansonic和HighYAG所研制的激光頭，能夠在一定范圍內上下左右浮動而不改變光斑大小，也不影響光絲配合，非常利于大批量的生產應用，能改善材料因加工而產生的少量尺寸偏差而引起的焊接缺陷。
圖7 HighYAG生產的PDT-B激光頭()和Scansonic生產的ALO3激光頭(右)
采用合適的焊接工藝參數，能夠保證焊接質量。圖8為6061鋁合金激光填絲焊接的激光功率和焊接速度的優化參數范圍關系圖。從該圖中可以看到，激光功率和焊接速度的優化匹配參數曲線呈直線式上升，斜率基本保持不變。每一個給定的激光功率值，在優化參數曲線上都有一個優化的焊接速度與之對應，且焊接速度可在一定范圍內變化仍能獲得成形質量好的焊縫，此區域屬于焊接穩定區。在某一功率值時，當焊接速度過大，熱輸入變小，鋁合金板材不能焊透，此時焊接速度過大則向上超過穩定區范圍，屬于未熔透區；當焊接速度過小，熱輸入過大，熔池下塌嚴重，此時屬于熔池坍塌區。要獲得穩定的焊縫成型，需要匹配合適的焊接工藝參數。
圖8 6061鋁合金的激光功率和焊接速度的優化參數關系圖
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