铝合金激光焊接技术.docx

1、铝合金激光焊接技术焊接技术峰会2024-04-29 07:30安徽随着激光技术和铝合金研制技术的发展，进一步开展铝合金激光焊接应用技术基础研究、开发铝合金激光焊接新工艺，更有效地拓展铝合金激光焊接结构的应用潜力，从而了解铝合金激光焊接技术的应用现状及发展趋势就显得尤为重要。高强铝合金具有较高的比强度、比刚度，良好的耐腐蚀性能、加工性能和力学性能,已成为航空航天、舰船等载运领域结构轻量化制造不可或缺的金属材料，其中飞机应用最多。焊接技术在提高结构材料利用率、减轻结构重量、实现复杂及异种材料整体结构低成本制造方面独具优势，其中铝合金激光焊接技术是倍受关注的热点。与其他焊接方法相比，激光焊接同时具有

2、加热集中、热损伤小、焊缝深宽比大、焊接变形小等优势，焊接过程易于集成化、自动化、柔性化，可实现高速高精度焊接，特别适合复杂结构的高精度焊接。随着材料技术的发展，各种高强高韧铝合金不断推出，尤其是第三代铝锂合金、新型高强铝合金的出现，对铝合金激光焊接技术提出了更多更高的要求，同时铝合金的多样性也带来了各种各样的激光焊接新问题，所以必须深入研究这些问题，才能更有效地拓展铝合金激光焊接结构的应用潜力。大功率激光器激光焊接是将高强度激光辐射至金属表面，通过激光与金属间热力耦合作用使金属熔化再冷却结晶形成焊缝的技术。根据激光焊接的热作用机制可分为热导焊和深熔焊两种，前者主要应用于精密零件的封装焊接或微纳

3、焊接；后者在焊接过程中往往产生类似于电子束焊接的小孔效应，形成深宽比较大的焊缝。激光深熔焊接实现需要的激光功率高，该技术目前应用于激光深熔焊接的大功率激光主要有 4 种类型。1CO2 气体激光工作介质为 CO2 气体，输出 10.6m 波长激光，按激光激发结构形式分为横流和轴流两种。横流 CO2 激光输出功率虽已达 150kW，但光束质量较差，不适合焊接；轴流 CO2 激光具有较好的光束质量，可用于对激光反射率高的铝合金焊接。2YAG 固体激光工作介质是红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等，输出波长为 1.06m 的激光。YAG 激光比 CO2 激光更易于被金属吸收，并且受等离子体影响较小，为光纤

4、传输，焊接操作灵活，焊缝位置可达性好，是目前铝合金结构焊接的主要激光器。3YLR 光纤激光是 2002 年以后发展起来的新型激光器，以光纤为基质材料，掺杂不同的稀土离子，输出波长范围在 1.08m 左右，也是光纤传输。光纤激光革命性地采用了双包层光纤结构，增加了泵浦长度,提高了泵浦效率，从而使光纤激光器的输出功率大幅提高。与 YAG 激光相比，YLR 光纤激光虽然出现较晚，但具有体积小、运行成本低、光束质量高等优点，而且获得的激光功率高。铝合金激光焊接结构的应用研究自 20 世纪 90 年代，随着科学技术的发展，大功率高亮度激光器的出现，激光焊技术集成化、智能化、柔性化、多样化发展日趋成熟，国

5、内外更加关注激光焊在各领域铝合金结构中的应用。目前，我国一些汽车制造厂家已经在部分新车型中采用激光焊接技术，随着铝合金厚板激光焊接技术的发展，激光焊接未来将应用于装甲车结构。为了实现轻量化制造，在舰船和高速列车结构制造中，铝合金三明治结构的激光焊接应用与研究是目前的研究热点。铝合金是航空航天结构重要的金属结构材料，因此在日本、美国、英国、德国等发达国家十分重视铝合金激光焊接技术研究。随着光纤激光焊接技术的发展，目前先进国家的航空制造领域已将光纤激光焊接和激光电弧复合焊接技术列为铝合金焊接技术的重点，尤其是厚板焊接和异种金属的焊接，如美国 NALI 项目针对民机和 JSF 飞机发动机燃烧室结构正

6、在开展光纤激光焊接和激光电弧复合焊接技术的研究。铝合金激光焊接的特点与常规熔化焊相比，铝合金激光焊接加热集中、焊缝深宽比大、焊接结构变形小，但是也存在一些不足，归纳起来有：（1）激光聚焦光斑直径细小导致工件焊接装配精度要求高，通常装配间隙、错边量需小于 0.1mm 或板厚的 10，增大了具有复杂三维焊缝焊接结构的实施难度；（2）由于室温条件下铝合金对激光的反射率高达 90%，因而铝合金激光深熔焊接要求激光器具有较高的功率。铝合金薄板激光焊接研究表明：铝合金激光深熔焊接取决于激光功率密度和线能量双阈值，激光功率密度和线能量共同制约着焊接过程的熔池行为，并最终体现到焊缝的成形特征上，对于全熔透焊缝的工艺优化可通过焊缝成形特征参量背宽比进行评价；（3）铝合金熔点低，液体金属流动性好，在大功率激光作用下产生强烈的金属汽化，在焊接过程中伴随小孔效应所形成的金属蒸汽/光致等离子体云影响铝合金对激光能量的吸收，导致深熔焊接过程不稳定，焊缝易于产生气孔、表面塌陷、咬边等缺陷；（4）激光焊接加热冷却速度快，焊缝硬度比电弧的高，但由于铝合金激光焊接存在合金元素烧损，影响合金强化作用，铝合金焊缝仍然存在软化