鋁合金及鋁制品激光焊接技術發展現狀分析

　　【中國幕墻網】在鋁合金激光焊接過程中，小孔的出現可以大大提高材料對激光的吸收率，焊件可以獲得更多的能量。但由于低熔點合金元素的蒸發，使得光致等離子體易于過熱和擴展，小孔的穩定性差，從而影響焊縫成形和接頭的力學性能，并且容易產生氣孔等焊接缺陷，所以小孔的誘導和穩定成為研究的一個重點。

　　鋁及其合金因具有良好的耐蝕性、導電性、導熱性和高的比強度而廣泛應用于工業領域，在產量上是僅次于鋼鐵的第二類金屬材料。近年來，隨著鋁合金在汽車、造船、國防、航空航天、娛樂和體育器材等制造領域越來越廣泛的運用，鋁合金焊接技術也在突飛猛進地發展，其表現可歸為3方面。其一，基于對傳統焊接技術的改進和創新而出現的新型鋁合金焊接技術，如低頻調制型脈沖MIG焊、交流MIG焊、雙焊槍TIG焊、穿孔型等離子弧立焊等；其二，高能密度焊接技術在鋁合金焊接領域的進一步推廣和應用，如電子束焊、YAG激光焊等；其三，攪拌摩擦焊在鋁合金焊接領域中的出現。

　　鋁合金焊接的特點
　　鋁合金由于重量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點而被廣泛地應用于各種焊接結構產品中，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，結構重量可減輕50%以上。

　　鋁合金焊接有幾大難點：

　　（1）鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數低，這也是阻礙鋁合金應用的最大障礙；

　　（2）合金表面易產生難熔的氧化膜(A12O3其熔點為2060℃)，這就需要采用大功率密度的焊接工藝；

　　（3） 鋁合金焊接容易產生氣孔；

　　（4） 鋁合金焊接易產生熱裂紋；

　　（5） 線膨脹系數大，易產生焊接變形；

　　（6） 鋁合金熱導率大（約為鋼的4倍），相同焊接速度下，熱輸入要比焊接鋼材大2～4倍。

　　因此，鋁合金的焊接要求采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的高效焊接方法。

　　鋁合金激光焊接技術
　　目前，生產中常用MIG 焊、TIG 焊方法來焊接鋁合金材料。雖然使用這2種方法能夠得到良好的焊接接頭，但是，這2種方法卻有熔透能力差、焊接變形大、生產效率低等缺點。近年來，很多科技工作者開始探討焊接鋁合金的新方法，如激光焊、雙光束激光焊、激光-電弧復合焊及摩擦攪拌焊等，下面主要介紹前3種焊接方法的主要特點。

　　1、 鋁合金的激光焊
　　隨著大功率、高性能激光加工設備的不斷開發，鋁合金激光焊接技術發展很快，是未來焊接鋁合金的主要發展方向之一。目前，鋁合金激光焊接已經被使用在車體部件的連接上，在Audi A2(全鋁結構)上，就有30m 激光焊縫。

　　與傳統的TIG、MIG 焊相比，用激光來焊接鋁合金具有以下優點：

　　(1)能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到熔化區和熱影響區窄而熔深大的焊縫。

　　(2)冷卻速度快，能得到組織微細的焊縫，故焊接接頭性能良好。

　　(3)焊接速度快、功能多、適應性強、可靠性高且不需要真空裝置，所以在焊接精度、效率、自動化等方面具有無可比擬的優勢。

　　激光焊接是一種高能密度的焊接工藝，焊接鋁合金可以有效防止傳統焊接工藝產生的缺陷，強度系數提高很大。但激光器功率一般都比較低，對鋁合金厚板焊　　　　　　接困難，同時鋁合金表面對激光束的吸收率很低，以及要達到深熔焊時存在閾值問題，所以工藝上有一定難度。

　　2 鋁合金的激光一電弧復合焊
　　雖然用激光焊接鋁合金有許多優勢，但仍存在較大的局限性，如設備成本高、接頭間隙允許度小、工件準備工序要求嚴等。為了更有效地焊接鋁合金，人們發展了激光-電弧復合焊接工藝。激光-電弧復合主要是激光與TIG 電弧、MIG 電弧及等離子體的復合。目前，該工藝在德國和日本等發達國家研究比較多，并在汽車業中已有一定的應用，如大眾汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-MIG焊道，而且激光復合焊還可以用來焊接車體及輪軸。不過國內在該工藝的研究和應用上基本還是空白。

　　鋁合金激光-電弧復合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對激光束的吸收率以及深熔焊的閾值問題，是極具前景的鋁合金焊接工藝之一，目前工藝還不成熟，處于研究探索階段。

　　用激光和電弧復合焊接方法來焊接鋁合金時，激光與電弧相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產生良好的復合效應。能顯著提高焊接效率，這主要基于2種效應：一方面是高的能量密度導致了高的焊接速度；另一方面是2種熱源同時作用在一個相同區域的疊加效應。這種復合工藝的優勢很多，潛力很大，在未來的汽車生產中必將具有廣泛的應用前景。

　　3 鋁合金的雙光束激光焊
　　激光單獨焊接鋁合金時會產生由于鑰孔塌陷而產生的氣孔。針對這個問題，人們又研究了雙束激光焊，發現雙束激光焊有相對較寬的焊寬和較低的焊縫深寬比，能提高鑰孔的穩定性，可以明顯地降低氣孔敏感性。其原因在于雙束激光焊接時第一束激光產生熔池，并對附近區域進行預熱，累積的熱量使第二束激光照射該處時，可以熔化更多的母材，從而形成較寬的焊縫。此外，由于第二束激光可以把第一束激光形成的鑰孔后壁氣化，避免了鑰孔的塌陷，所以形成氣孔的幾率就要小一些。

　　鋁合金激光焊接技術的應用
　　1 鋁合金激光焊接技術在艦船建造中的應用
　　鋁合金材料由于密度小，重量輕，它能夠最大限度地減輕船舶的重量，降低船舶的重心，提高船舶的穩定性。因此在一些小型船舶（如漁船、游艇、艦艇）上得到廣泛的應用。

　　經過近幾年的發展，MIG焊從焊接設備、焊接材料到焊接工藝，都日益走向成熟，獲得高質量的MIG焊縫已經成為可能。目前，國外鋁合金焊接90％以上采用MIG焊。國內的鋁合金MIG焊技術也得到了迅速的發展。針對船用鋁合金的焊接以及MIG焊顯現出的突出優點，研究并提出成熟的鋁合金MIG焊工藝將為鋁合金在船舶建造上的應用提供有力的保證。

　　造船業是激光焊接應用的一個重要領域，造船的主要工藝是焊接，采用激光焊接的優點在于可得到高強度的焊件，從而在設計上可減小所用材料的厚度，達到輕重量、高強度的目標。美國經計算得出航空母艦如采用激光焊接技術制造可減輕重量200t。實際上當前歐洲的一些大型游輪的建造中，激光焊接的應用達到20％左右，近期目標達到50％。此外，海洋平臺、潛艇的結構件還有許多激光焊接的例子。

　　2 鋁合金焊接技術在汽車生產中的應用
　　減輕汽車重量以降低能耗、減少污染、提高燃油效率，這是解決汽車節能和環保問題的最有效的措施。實現汽車輕量化的方法主要有修改結構設計、縮小汽車規格和采用新型材料。其中采用輕型的結構材料是最有潛力的一種方法。由于鋁合金具有高比強度、耐銹蝕、熱穩定性好、易成形、再生性好和簡化結構等一系列優點，能滿足汽車工業的上述要求，故在汽車業中倍受青睞。大量的對比研究和反復實踐證明，選用鋁合金材料是實現汽車輕量化的有效途徑。鋁合金在汽車中的應用不僅帶來明顯的減重效益，并且能提高燃油效率、減少尾氣排放、改善汽車的動力性能等，帶來巨大的經濟效益和社會效益。

　　目前，適合汽車用的鋁合金主要有Al-Mg(5000系列)、Al-Mg-Si(6000系列)及Al-Mg-Zn(7000系列)三大系列，這3類合金各有特點，用在汽車的不同部位。一般，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。由于鋁合金較活潑、導熱導電性好、線膨脹系數大，焊接時常會有氣孔、裂紋、咬邊、焊縫成形差等缺陷出現，并且焊后接頭力學性能下降。為了實現汽車生產中高的生產率和高的焊接質量相容性的要求，提高鋁合金的焊接技術、開發和應用新的焊接方法對鋁合金在汽車中的廣泛應用具有重要的意義，這也是真正實現汽車輕量化的技術關鍵之一。

　　為了實現汽車輕量化，解決節能、環保等問題，鋁合金在汽車中的應用不斷增加，這是汽車發展的趨勢，也是社會發展的需求。由于鋁合金的物理化學性能特殊，焊接時有一定困難，很大程度上制約了鋁合金在汽車中的廣泛應用。提高鋁合金的焊接技術、開發和應用新的焊接方法是提高汽車鋁化率所必須攻克的技術關鍵之一。其中激光焊、激光-電弧復合焊、雙光束激光焊及摩擦攪拌焊就是近年發展起來的焊接鋁合金的新工藝，在國外轎車生產中已有了一定的應用。隨著這些焊接方法的不斷成熟，必定為鋁合金在汽車中的應用提供更堅實的技術支撐，也為我國汽車鋁合金化程度的進一步提高提供了寶貴的借鑒和經驗。

　　奧迪、奔馳、大眾、沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側框等鈑金結構，90年代美國通用、福特和克萊斯勒公司競相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發展很快。意大利菲亞特在大多數鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強鋼激光焊接裝配件因其性能優良在汽車車身制造中使用得越來越多。

 　　激光焊接還廣泛應用到變速箱齒輪、半軸、傳動軸、散熱器、離合器、發動機排氣管、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造，成為汽車零部件制造的標準工藝。應當看到我國一些汽車制造廠家已經在部分新車型中采用激光焊接技術，而且從激光焊接技術本身研究的角度看，我國一些科研院所在一些具有特色的領域取得了具有特色的成果。隨著我國汽車工業的快速發展，激光焊接技術一定會在汽車制造領域取得豐碩的成果和廣泛的應用。

　　3 鋁合金焊接技術在航天工業中的應用
　　鋁合金因其特性已成為在航天工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料。例如，鋁合金是運載火箭及各種航天器的主要結構材料。美國的阿波羅飛船的指揮艙、登月艙，航天飛機氫氧推進劑貯箱、乘務員艙等也都采用了鋁合金作為結構材料。我國研制的各種大型運載火箭也廣泛選用了鋁合金作為主要結構材料。

　　航天技術的發展對鋁合金的強度和減重提出了更高的要求，鋁鋰合金在近幾十年得到了迅猛的發展。因為每加入1%的Li，可使鋁合金質量減輕3%，彈性模量提高6%，比彈性模量增加9%，這種合金與在飛機產品上普遍使用的2024和7075合金相比，密度下降7%～l1%，彈性模量提高12%～18%。前蘇聯的1420合金與廣泛使用的杜拉鋁(硬鋁)Ⅱ16(2024)合金相比，密度下降12%，彈性模量提高6%～8%，抗腐蝕性好，疲勞裂紋擴展速率低，強度、屈服強度和延伸率相近、焊接性較好。

　　鋁合金是航天產品的主要結構材料之一。隨著材料技術的發展，鋁合金家族不斷壯大。在美國和俄羅斯，2219、1201、1420鋁合金都已獲得了廣泛的應用，2195鋁合金也已開始應用。在國內，S147和2195等在未來航天型號中的應用前景不容忽視。載人航天和可重復使用航天器對焊接結構的可靠性提出了更高的要求。隨著這一進程的出現，新焊接技術在航天工藝焊接生產中的應用必將獲得突飛猛進的發展，焊接自動化和高的質量及可靠性保證能力將是21世紀對焊接技術的基本要求。尤其是鋁合金中厚板和厚板焊接技術在近幾年將成為航天焊接工作者研究和推廣的熱點之一。

　　美國在20世紀70年代初的航空、航天工業中就已利用15kW的CO2激光器針對飛機制造業中的各種材料、零部件，進行焊接試驗、評估工藝的標準化。在歐盟國家中，意大利首先于20世紀70年代末從美國引進15kW的CO2激光器，隨后由聯盟對航空發動機、航天工業中的各種容器及輕量級結構立項，開展了長達8年的激光焊接應用研究。材料涉及鈦合金、鎳基、鐵基高溫合金等。近年來新的應用成果是鋁合金飛機機身的制造，用激光焊接技術取代傳統的鉚釘，從而減輕飛機機身的重量近20％，提高強度近20％，此項技術計劃用于空中客車3l8、380以及一些無人駕駛飛機的制造。

　　結束語
　　鋁合金焊接技術作為鋁合金在工業領域中擴大應用的關鍵技術之一，必然會得到進一步的發展。其中應用普遍的脈沖MIG，TIG焊會隨著微處理器(MCU)和數字信號處理芯片(DSP)為核心的全數字化焊機的不斷進步而使更多以前只停留在鋁合金焊接理論上的技術變為現實。激光焊、激光一電弧復合焊、雙光束激光焊是近年發展起來的焊接鋁合金的新工藝，新興的攪拌摩擦焊一出現就顯示了其焊鋁的巨大優勢，不久以后很可能會代替MIG焊，承擔大部分鋁合金焊接工作量。

　　鋁合金激光焊接最為引人關注的特點是其高效率，而要充分發揮這種高效率就要把它運用到大厚度深熔焊接中。因此，研究和使用大功率激光器進行大厚度深熔焊接將是未來發展的必然趨勢。大厚度深熔焊更加突出了小孔現象及其對焊縫氣孔的影響，因此小孔形成機理及其控制變得更加重要，它必將成為未來學術界及工業界共同關心和研究的熱點問題。