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

*通訊作者：李超，1983年9月，男，漢族，河北廊坊人，現(xiàn)任中國(guó)航空制造技術(shù)研究院機(jī)械設(shè)計(jì)師，高級(jí)工程師，碩士研究生。研究方向：激光加工裝備。

摘? ? 要：長(zhǎng)期以來(lái)，鋁合金激光焊接難點(diǎn)和熱點(diǎn)是研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的技術(shù)研究方向。隨著市場(chǎng)對(duì)輕型化設(shè)計(jì)的需求不斷增加，高功率激光和激光產(chǎn)品的成熟，激光焊接系統(tǒng)的成本趨于降低。在此背景下，擴(kuò)展激光焊接鋁合金應(yīng)用的一個(gè)主要瓶頸是從采購(gòu)成本向焊接技術(shù)的轉(zhuǎn)變，提出了新的鋁合金激光焊接技術(shù)。這是鋁合金工藝在特定應(yīng)用中的趨勢(shì)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋁合金;激光焊接;焊接工藝;應(yīng)用

一、引言

鋁激光焊接是一項(xiàng)近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，在精度、效率、可靠性、自動(dòng)化等方面優(yōu)于現(xiàn)有焊接技術(shù)。鋁激光焊接工藝非常復(fù)雜，鋁激光焊接中的光束反射及等離子屏蔽與鋼鐵等黑色金屬相比效果非常強(qiáng)。零件很難吸收光束的能量。同時(shí)也存在裂紋、氣孔、接頭軟化等缺陷，鋁只能通過(guò)高功率激光和特殊工藝有效焊接[1]。

二、工藝特性及研究現(xiàn)狀

（一）光束反射和焊接前表面處理

在鋁激光焊接中，最難同時(shí)解決的問(wèn)題是通過(guò)入射光束對(duì)鋁進(jìn)行強(qiáng)反射。研究表明，室溫下鋁表面的初始反射率比CO2和YAG激光高90%。比鋼等黑色金屬高得多。因此，為了有效地進(jìn)行鋁合金焊接，表面預(yù)處理是必須采取的措施，以減少反射并提高吸收能力，而研究人員在這一領(lǐng)域開(kāi)展了大量工作。

在鋁為原表面（銑削、汽車加工后）、噴砂（砂子300目）、拋光電解、陽(yáng)極氧化的四種表面模式下，研究了入射光束的吸能狀態(tài)，如表1所示陽(yáng)極氧化和噴砂可以顯著增加鋁射線的能量吸收[2]。其他科學(xué)家的研究也證實(shí)，預(yù)處理鋁表面措施，如砂紙打磨、化學(xué)表面蝕刻、表面涂層、石墨涂層、空氣爐氧化，可以有效改善能量吸收[3]。

（二）合金元素

鋁合金含有低沸點(diǎn)（Mg、Zn、Li）元素。為此，在激光焊接鋁合金時(shí)，強(qiáng)化蒸發(fā)和等離子體形成為鋼，而研究表明焊接形式中金屬蒸汽的產(chǎn)生和高溫等離子體部件的產(chǎn)生有利于深焊縫的產(chǎn)生，并且存在有利又有弊[4]。

（三）材料特性

鋁合金材料的表面張力、黏度、導(dǎo)熱性等物理性能嚴(yán)重影響激光焊接中的熔化性能和焊縫成形。研究表明，低液態(tài)金屬的黏度和導(dǎo)熱性有利于增加熔化深度，小的表面張力有利于金屬蒸汽的產(chǎn)生和逸出，其熔深增加，同時(shí)液態(tài)金屬容易加大熔深，造成焊接表面下凹焊縫[5]。

（四）焊接工藝參數(shù)

鋁焊接工藝參數(shù)主要包括激光性能、焦距、焦點(diǎn)、焊縫位置、焊縫速度、氣體等級(jí)和流量，它們決定了直接焊縫的形狀。

1. 激光性能是決定焊縫熔體流動(dòng)的主要因素。入射光束溫度在室溫下吸收鋁能量非常低。在熔化狀態(tài)下非常高，因此，在其他參數(shù)不變的情況下，如在入射光束能量密度臨界值的焦點(diǎn)位置（約106瓦/平方厘米），當(dāng)溫度低于激光功率臨界值時(shí)，焊接進(jìn)行傳熱熔化容易形成孔效應(yīng)，光束吸收率和焊接深度明顯如圖1示。

2. 在某些其他參數(shù)下的焊接速度，熔化深度增加或減少是由焊接速度決定，如圖2所示。

三、鋁合金激光焊接應(yīng)用與發(fā)展

鋁合金激光焊接在廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的生產(chǎn)，如鋁合金車頂和側(cè)圍的激光焊接、鋁合金門的激光焊接、空客客機(jī)機(jī)體下部鋁合金結(jié)構(gòu)的激光焊接等。與傳統(tǒng)的鋁合金電鍍方法相比，激光焊接在提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和減輕結(jié)構(gòu)重量方面證明是有效的[6]。

（一）新能源汽車鋁合金電池盒的激光焊接

在新能源汽車工業(yè)中，由于電池重量增加和對(duì)輕型結(jié)構(gòu)的需求增加，鋁相比昂貴的碳纖維復(fù)合材料和高密度高強(qiáng)度鋼，無(wú)疑是各種電池盒結(jié)構(gòu)的首選材料。從電池盒和插件板、模塊和配件到電池底部、鋁合金板等鋁合金的使用非常廣泛。方殼電芯是激光焊接應(yīng)用中鋁合金最常用的產(chǎn)品，如外殼密封件、防爆閥、極柱、注液孔和軟連接，由純鋁和三系鋁合金組成，良好焊接，特別是在可擺動(dòng)激光焊接時(shí)，滿足幾乎所有誤差和密封標(biāo)準(zhǔn)滿足。上述技術(shù)通過(guò)傳統(tǒng)光纖激光和掃描電流鏡頭提供了高質(zhì)量、有效的激光焊接。

目前市場(chǎng)形成了定制激光焊接生產(chǎn)設(shè)備。新型汽車電池和電池托盤模塊高度定制，主要采用高強(qiáng)度6系鋁合金，部分采用5系鋁合金。根據(jù)產(chǎn)品需求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，大約有三種類型。

1. 非承力模塊電池殼

其特點(diǎn)是厚度小于或等于1.5 mm的鋁合金板，整體結(jié)構(gòu)無(wú)密封要求，焊接形式為穿透焊接、對(duì)接、搭接角焊。由于產(chǎn)品要求比較簡(jiǎn)單，技術(shù)難度較小，焊接采用單激光，由于工件裝配間隙要求高，焊接質(zhì)量一致性更受材料尺寸精度和裝夾過(guò)程的影響大。

2. 產(chǎn)品有密封要求

有些要求必須經(jīng)受一定的壓實(shí)壓力條件。帶狀厚度通常為3～5 mm，包括組裝、對(duì)接、角接、搭接鋁合金板材和其他形狀。由于產(chǎn)品尺寸小于電池托盤，服務(wù)條件相對(duì)較低，制造廠和用戶打算從MIG焊接工藝過(guò)渡到激光焊接工藝。目前，激光焊接技術(shù)主要由研究機(jī)構(gòu)、激光供應(yīng)商和零部件制造商進(jìn)行研究和測(cè)試。

3. 承受產(chǎn)品外部負(fù)載電托盤

由當(dāng)前連接到鋁型材的板和框架組成。壁為2 mm厚，底板厚5～8 mm，MIG焊接底板和框架。某些產(chǎn)品采用鋁合金制造，形成底板和框架的整體結(jié)構(gòu)。

制造商需要高效、高質(zhì)量的激光焊接技術(shù)。但電池托盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮激光焊接的技術(shù)特點(diǎn)，底板焊接所需的連接強(qiáng)度較高，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用受到若干因素的限制。

（二）鋁合金激光焊接

汽車車身最受歡迎的鋁合金激光焊接方法是釬焊與車門熔焊。鋁合金焊接主要用于鋁合金車頂與側(cè)圍、鋁合金行李箱蓋，應(yīng)用于凱迪拉克CT6、蔚來(lái)ES8獨(dú)立品牌等型號(hào)。激光焊接要求激光頭部功能高，不僅焊絲指向性，而且焊絲的焦點(diǎn)和位置也可根據(jù)焊接位置、樣品波動(dòng)、焊接后焊接表面質(zhì)量控制等進(jìn)行調(diào)整。這是較常見(jiàn)的高表面鋁合金激光焊接應(yīng)用于汽車車頂、行李箱蓋等外觀部件。一般來(lái)說(shuō)，由于液態(tài)鋁表面張力較低，板料厚度比較?。s1.2毫米），容易出現(xiàn)焊穿、突刺等問(wèn)題。

（三）軌道交通中鋁合金車身的激光焊接

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通發(fā)展迅速，隨著高鐵的發(fā)展，列車車體材料逐步向輕軌免修方向發(fā)展，現(xiàn)主要包括碳鋼、不銹鋼、合金鋼。其中，不銹鋼堆焊激光焊接技術(shù)應(yīng)用于地鐵制造而不是電阻點(diǎn)焊方法[7]。在碳鋼激光焊接領(lǐng)域，唐山中山汽車有限公司和中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密研究所共同開(kāi)發(fā)了碳鋼激光焊接技術(shù)。目前，對(duì)厚度相等或可變的三通道接頭激光焊接進(jìn)行了技術(shù)突破，側(cè)壁結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)完成，車體鋁合金材料主要采用摩擦摩擦工藝，材料采用型材在鋁合金激光焊接領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)并測(cè)試了高速磁阻薄壁鋁合金機(jī)箱中底板、頂板、三大側(cè)墻部件和夾層板組等中小型部件的激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研發(fā)。

（四）飛機(jī)鋁板的激光焊接

輕量化飛機(jī)在減少燃料消耗、增加續(xù)航里程和延長(zhǎng)飛機(jī)壽命方面發(fā)揮著重要作用。鋁合金的成本相對(duì)于鈦合金和碳纖維復(fù)合材料來(lái)說(shuō)較低，因此用于飛機(jī)機(jī)體生產(chǎn)的鋁合金比例較高，主要是鋁合金7、6和2系。在將機(jī)身壁板蒙皮與桁條中的應(yīng)用程序中，傳統(tǒng)的方法是使用修補(bǔ)方法，采用搭接蒙皮與桁條結(jié)構(gòu)。由于搭接鉚釘與桁條邊，重量太重，生產(chǎn)效率低，桁條與蒙皮分別被T型結(jié)構(gòu)所取代，左右兩側(cè)同步激光填絲焊代替搭接邊與鉚釘，從而減少車身重量，提高連接效率[8]。

目前，鋁合金激光焊接技術(shù)主要用于材料焊接能力較好、使用條件較簡(jiǎn)單的情況。新型鋁鋰合金，航空用高強(qiáng)度鋁合金激光焊接提出了較為復(fù)雜的金屬焊接問(wèn)題，船舶、壓力容器等行業(yè)鋁合金厚板結(jié)構(gòu)激光焊接必須解決工藝和裝備問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高性能鋁合金激光焊接是鋁合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展方向。

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