鋁合金激光焊接技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

陶武，楊上陸

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所 上海 201800

1 序言

鋁合金具有較高的比強度、良好的耐蝕性，并且材料品種覆蓋范圍大，是優(yōu)良的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在汽車、軌道交通、航空航天及船舶等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。近年來，激光焊接作為高效率、低熱輸入、高柔性的高質(zhì)量連接技術(shù)在國內(nèi)市場獲得越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展主要受到三方面因素的影響：一是鋁合金材料的發(fā)展，材料的焊接性與滿足應(yīng)用條件的強塑性、耐蝕性等性能提升；二是激光焊接工藝研究與焊接質(zhì)量評估的成熟度；三是激光焊接設(shè)備，包括激光器的快速發(fā)展，以及激光束的輸出形式、調(diào)控方式的多樣化等。在上述基礎(chǔ)上，針對不同行業(yè)、場景的應(yīng)用需求，可供選擇與搭配的激光焊接系統(tǒng)在成本和工藝上更具有靈活性和適用性。

2 鋁合金激光焊接的難點

鋁合金激光焊接受基體材料本身性質(zhì)的影響存在較多難點，比如，液態(tài)鋁表面張力低，造成激光深溶焊小孔坍塌而形成氣孔；鋁合金所含低熔點合金元素在激光焊接過程中被燒損，造成焊縫性能弱化；焊縫低熔點共晶合金元素成分易在冷卻凝固過程中形成裂紋；熱處理強化鋁合金在焊接熱循環(huán)作用下產(chǎn)生熱影響區(qū)軟化；液態(tài)鋁表面張力低、固態(tài)鋁熱導(dǎo)率高，以及Al、Mg等元素易氧化造成焊縫表面成形差等。

此外，為降低鋁合金激光焊對裝配間隙的要求，并抑制焊縫裂紋的產(chǎn)生，通常采用激光填絲焊或激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)。由于鋁合金焊絲相對較軟，所以需要確保從送絲嘴出來的焊絲的指向性，以避免焊絲未熔化、填充焊縫產(chǎn)生偏向等問題；同時，原始鋁合金表面的氧化膜以及熔融鋁新產(chǎn)生的氧化層均會對填充焊絲的鋪展效果產(chǎn)生影響。

圖1展示了鋁合金激光焊接存在的部分工藝問題。

圖1 鋁合金激光焊接存在的問題

3 鋁合金激光焊接設(shè)備

早在20世紀70年代，即出現(xiàn)了關(guān)于鋁合金激光焊接研究的報道，所用激光光源經(jīng)歷了CO2激光器和Nd:YAG激光器，目前占據(jù)應(yīng)用市場主導(dǎo)地位的是光纖激光器、碟片激光器和半導(dǎo)體激光器。激光光源除了在激光光束質(zhì)量、運行維護成本、功率輸出穩(wěn)定性、設(shè)備成本與輕型化等方面提升之外，根據(jù)實際焊接工藝需求，還發(fā)展出點環(huán)光斑、能量可調(diào)光斑等不同形式輸出光束的激光器。比如，IPG公司的YLS-AMB系列光束模式可調(diào)光纖激光器，根據(jù)其官網(wǎng)資料，該激光器激光功率分布如圖2所示。由圖2可看出，激光束由中心光斑和環(huán)形光斑組成，中心光斑具有較高的能量密度，能夠?qū)崿F(xiàn)相對較大的熔深；環(huán)形光斑能量密度較低，具有穩(wěn)定熔池、減少飛濺等作用。具有相似功能的激光器產(chǎn)品有相干激光公司的CSM-ARM可調(diào)節(jié)環(huán)模式光纖激光器與飛博激光公司“牛眼”光斑激光器等。同時，出現(xiàn)可以輸出不同波長復(fù)合光束的激光器，如柯馬LHYTE對光纖激光器與二極管激光器進行復(fù)合；創(chuàng)鑫激光推出HMB多波長復(fù)合激光器，兼具多波長與點環(huán)光斑輸出能力。上述激光器輸出光束的發(fā)展變化增強了激光焊接的應(yīng)用能力，包括在抑制鋁合金激光焊接氣孔、改善焊縫成形等方面。

圖2 IPG YLS-AMB 輸出光束模式示意

另外，激光束經(jīng)過光纖傳輸?shù)绞褂媒K端之后，使用激光束進行焊接的方式也發(fā)生很多新的變化，除了雙光束、激光與電弧復(fù)合等傳統(tǒng)方式，還出現(xiàn)了以掃描振鏡、光束擺動功能為代表的光束可控激光焊接頭。這類產(chǎn)品的出現(xiàn)使常規(guī)的單光束激光在激光焊接工藝上形成了完全區(qū)別于傳統(tǒng)工藝的新方向，極大地拓展了鋁合金激光焊接的研究方向和應(yīng)用范圍。關(guān)于擺動光束激光焊接的研究表明，光束擺動將增加6系鋁合金焊縫區(qū)等軸晶的體積分數(shù)，從而增強6061鋁合金對接接頭的韌性[1]，降低6016鋁合金搭接接頭的裂紋敏感性[2]。通過選擇適當(dāng)擺動光束焊接參數(shù)，可以消除5系鋁合金對接[3]、搭接接頭[4]焊縫氣孔的產(chǎn)生。除了薄板鋁合金，擺動激光被用于厚板鋁合金激光填絲焊研究，實現(xiàn)130mm厚的5A06鋁合金單道45層焊接，縱向焊縫平均氣孔率為1%，無未熔合、裂紋等焊接缺陷[5]。激光器和激光頭等產(chǎn)品的發(fā)展，對解決鋁合金激光焊部分固有難題，促進鋁合金激光焊技術(shù)應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用。

4 鋁合金激光焊接應(yīng)用與發(fā)展

鋁合金激光焊在歐美被廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等先進制造業(yè)，如鋁合金車頂與側(cè)圍激光釬焊、鋁合金車門激光熔焊、空客客機機身下壁板鋁合金T形結(jié)構(gòu)激光填絲焊等典型應(yīng)用。與傳統(tǒng)的鋁合金鉚接方法相比，激光焊在提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、減輕結(jié)構(gòu)重量等方面，被證明是行之有效的技術(shù)方法。在國內(nèi)，隨著新能源汽車與軌道交通高速列車的快速發(fā)展，國產(chǎn)大飛機項目的實施，以及激光裝備集成技術(shù)與激光焊接配套傳感檢測技術(shù)的成熟應(yīng)用，鋁合金激光焊接形成以新能源汽車產(chǎn)業(yè)為主的應(yīng)用狀態(tài)，在鋁合金列車車體與飛機壁板激光焊接方面則主要處于技術(shù)研發(fā)、驗證測試、產(chǎn)品試制等階段，距規(guī)模化應(yīng)用尚存在一定距離。

4.1 新能源汽車鋁合金電池殼激光焊

在新能源汽車產(chǎn)業(yè)，由于電池包重量增加對結(jié)構(gòu)輕量化提出了更高的需求，所以與成本較高的碳纖維增強復(fù)合材料和密度較高的高強鋼相比，鋁及鋁合金毫無疑問地成為各類電池殼結(jié)構(gòu)的首選材料，從電芯殼體與極耳、模組與連接體，到電池托盤，鋁合金板材、型材，以及鑄造鋁合金均獲得了廣泛應(yīng)用。

方殼電芯是鋁合金激光焊接應(yīng)用最普及的產(chǎn)品，包括殼體封口、防爆閥、極柱、注液孔及軟連接等，所用材料包括純鋁和3系鋁合金，焊接性良好，尤其在使用擺動激光焊接工藝下，形成幾乎無缺陷、滿足了密封條件的焊接接頭。上述工藝采用常規(guī)光纖激光器與掃描振鏡焊接頭，即可實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率激光焊接。目前，已在市場上形成完備的定制化激光焊接生產(chǎn)線裝備。

新能源汽車電池模組與電池托盤個性化程度高，主要使用強度較高的6系鋁合金，部分使用5系鋁合金，當(dāng)前主要采用MIG焊接工藝和攪拌摩擦焊技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)品不同的需求和設(shè)計特點，大致存在三種類型。

第一種是非承力模組電池殼，其特點是存在板厚≤1.5mm的鋁合金板，并且對整體結(jié)構(gòu)無密封要求，以搭接穿透焊、對接、搭接角焊等形式實施焊接，采用單激光或者擺動激光即可滿足熔深、熔寬需求。此類產(chǎn)品要求相對簡單，因此工藝難度不大，已經(jīng)獲得生產(chǎn)應(yīng)用，主要由激光頭廠家、激光系統(tǒng)集成商提供技術(shù)方案。但是，由于采用單激光焊，對產(chǎn)品裝配間隙要求較高，所以焊接質(zhì)量一致性受來料尺寸精度和裝夾工序影響較大。

第二種是產(chǎn)品有密封要求，某些要求須承受一定時間的保壓壓力條件，板料厚度通常在3～5mm，與鋁合金型材組裝，涉及到對接、角接、搭接等形式。由于產(chǎn)品尺寸與電池托盤相比較小，服役條件也相對較低，所以生產(chǎn)廠與使用方均有意將焊接工藝從MIG焊升級為激光焊。目前，處于激光焊接工藝探索與測試階段，主要由科研院所、激光器供應(yīng)商、零部件廠家合作實施。

第三種是產(chǎn)品承受外力載荷的電池托盤，目前主要由鋁合金型材拼接的底板和型材邊框組成，型材壁厚2mm左右，底板拼接厚度5～8mm，底板與邊框采用MIG焊，部分產(chǎn)品采用鑄造鋁合金來獲得底板與邊框一體結(jié)構(gòu)。受制于MIG焊和攪拌摩擦焊較低的效率、較大的變形，以及攪拌頭的耗材成本投入，生產(chǎn)廠家希望引入高效率、高質(zhì)量的激光焊接技術(shù)。但是，電池托盤結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，產(chǎn)品設(shè)計對激光焊接工藝特性考慮不足，底板拼焊對接頭強度要求較高，諸多因素限制了激光焊接技術(shù)的應(yīng)用。目前，相關(guān)鋁合金激光焊接技術(shù)開發(fā)主要在科研院所和部分產(chǎn)品設(shè)計廠家進行。

第二種與第三種產(chǎn)品由于板料厚度較大、6系鋁合金材料存在裂紋傾向，因此可以采用激光填絲焊或者激光電弧復(fù)合焊工藝，除了激光焊接工藝本身面臨的難題，激光焊接的接頭質(zhì)量以及激光焊接產(chǎn)品質(zhì)量的檢測評估方法和標準還有待同步開發(fā)。

4.2 新能源汽車車身鋁合金激光焊

鋁合金激光焊接技術(shù)在汽車車身上應(yīng)用最成熟的是激光釬焊與車門激光熔焊。鋁合金激光釬焊主要應(yīng)用于鋁合金車頂與側(cè)圍焊接、鋁合金行李箱蓋焊接，在合資品牌凱迪拉克CT6、自主品牌蔚來ES8等車型均有應(yīng)用。激光釬焊對激光頭的功能要求很高，除了焊絲的指向性，還需要具備焊接過程中尋位、根據(jù)樣件起伏調(diào)節(jié)焦點與焊絲位置、監(jiān)測焊后焊縫表面質(zhì)量等，以滿足車頂、行李箱蓋等外觀件對高表面質(zhì)量的需求。鋁合金車門激光熔焊應(yīng)用較普遍，通常使用掃描振鏡焊接頭實施，包括搭接穿透焊接與搭接角焊縫焊接，由于液態(tài)鋁表面張力低，且板料厚度相對較?。?.2 mm左右），因此實際應(yīng)用中容易出現(xiàn)焊穿、突刺等成形不良的問題，如圖3所示?；诖?，提升批量生產(chǎn)制造中的焊接質(zhì)量是鋁合金激光焊接需要考慮的應(yīng)用要素。

圖3 某款車門激光熔焊焊縫背面塌陷、表面突刺等成形不良問題

4.3 軌道交通列車鋁合金車體激光焊

近年來，我國軌道交通制造業(yè)發(fā)展迅速，隨著高速列車發(fā)展，列車車體用材料朝著輕質(zhì)化、免維護發(fā)展，目前主要包含碳素鋼、不銹鋼、鋁合金等。其中，不銹鋼疊層激光焊接技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于地鐵生產(chǎn)制造中，取代電阻點焊方法[6，7]。關(guān)于碳素鋼激光焊，中車唐山機車車輛公司與中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所合作，開發(fā)碳素鋼激光焊接技術(shù)[8]，目前在等厚、不等厚、T形接頭激光焊接方面已經(jīng)實現(xiàn)工藝突破，并完成側(cè)墻結(jié)構(gòu)件試制。車體鋁合金材料主要采用攪拌摩擦焊技術(shù)，材料以6系鋁型材為主。在鋁合金激光焊接方面，中車四方機車車輛股份有限公司針對高速磁浮長大薄壁鋁合金車身中的地板、車頂、側(cè)墻三大部件，以及夾層端板組成等中小部件開展了激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研發(fā)與樣件試制，實現(xiàn)了激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)在時速600km/h高速磁浮列車中的開創(chuàng)性應(yīng)用。采用激光焊接明顯提高了車體制造精度，提升了生產(chǎn)效率，降低了后續(xù)加工及維護等生產(chǎn)成本，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

4.4 飛機鋁合金壁板結(jié)構(gòu)激光焊

航空飛機輕量化對減少燃油消耗、提升續(xù)航里程、延長飛機壽命等具有重要作用。與鈦合金、碳纖維復(fù)合材料相比，鋁合金成本相對較低，因此在飛機機身制造中，鋁合金應(yīng)用占有較大的比例，主要以7系、6系、2系鋁合金為主。在機身壁板蒙皮與桁條連接應(yīng)用中，傳統(tǒng)方法使用鉚接技術(shù)，蒙皮與桁條采用搭接結(jié)構(gòu)。由于鉚釘與桁條搭接邊產(chǎn)生了額外的重量，并且生產(chǎn)效率較低，所以將桁條與蒙皮改為T形結(jié)構(gòu)，并且通過左右兩側(cè)分別同步實施激光填絲焊，取代搭接邊與鉚釘，對減輕機身重量、提高連接效率、降低制造成本效果明顯。比如，空客A380機型中8張壁板采用雙側(cè)激光同步焊接技術(shù)制造，降低機身重量10%[9]。當(dāng)前生產(chǎn)應(yīng)用中，實施激光焊接的材料主要是6系鋁合金，國內(nèi)在鋁合金T形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究上聚焦于應(yīng)用前景較大的鋁鋰合金雙側(cè)激光焊接工藝研究，并進行了樣件試制。但是，鋁鋰合金激光焊接存在接頭軟化、腐蝕，以及焊縫氣孔、裂紋等影響接頭性能的關(guān)鍵問題需要解決。

5 結(jié)束語

鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展取決于鋁合金材料、激光焊接工藝與焊接設(shè)備的創(chuàng)新，通常需要根據(jù)實際應(yīng)用特點進行專門的工藝研發(fā)、性能評估與裝備搭建，特別是軌道列車、航空飛機等大尺寸結(jié)構(gòu)件，從技術(shù)研究到生產(chǎn)應(yīng)用需要數(shù)年甚至十幾年時間。當(dāng)前，鋁合金激光焊接技術(shù)主要應(yīng)用在材料焊接性相對較好、服役條件相對簡單的情況下。航空用新型鋁鋰合金、高強度7系鋁合金激光焊接面臨著更加復(fù)雜的焊接冶金問題，船舶、壓力容器等行業(yè)鋁合金厚板結(jié)構(gòu)激光焊接則需要解決工藝和裝備問題，如何實現(xiàn)焊接性相對較差的高性能鋁合金激光焊接，以及鋁合金厚板復(fù)雜結(jié)構(gòu)高效激光焊接，是鋁合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向。焊接設(shè)備國產(chǎn)化、產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及其在焊接應(yīng)用中的適應(yīng)能力，是鋁合金激光焊接技術(shù)另一個發(fā)展方向。