铝合金激光焊接的特点及缺陷控制技术

一、铝合金激光焊接的特点

与常规熔焊相比，铝合金激光焊接具有加热集中、深宽比大、焊接结构变形小等优点，但也存在一些缺点，可以总结如下：

(1)激光聚焦光斑直径小，对工件焊接和装配精度要求高，通常装配间隙和错位量应小于0.1mm或板厚的10%，增加了实现复杂三维焊缝焊接结构的难度;(2)由于铝合金在室温下对激光的反射率高达90%，所以铝合金的激光深熔焊需要更高的激光功率。铝合金薄板激光焊接研究表明，铝合金激光深熔焊依赖于激光功率密度和线能量的双阈值，共同制约焊接过程中的熔池行为，终反映焊缝的成形特征。全熔透焊缝的工艺优化可以通过焊缝成形的特征参数背宽比来评价。

(3)铝合金熔点低，液态金属流动性好，在大功率激光作用下产生强烈的金属汽化。焊接过程中，利用小孔效应形成的金属蒸汽/光等离子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，焊缝容易出现气孔、表面塌陷、咬边等缺陷;

(4)激光焊接加热和冷却速度快，焊缝硬度高于电弧焊。但由于铝合金激光焊接中合金元素的烧损，影响了合金的强化效果，铝合金焊缝中仍存在软化问题，从而降低了铝合金焊接接头的强度。因此，铝合金激光焊接的主要问题是控制焊接缺陷，提高焊接接头的性能。

二、铝合金激光焊接缺陷控制技术

在高功率激光的作用下，铝合金激光深熔焊的主要缺陷是气孔、表面塌陷和咬边，而表面塌陷和咬边缺陷可以通过激光填丝焊或激光电弧复合焊来改善，但焊缝气孔缺陷难以控制。现有研究结果表明，铝合金激光深熔焊存在两种特征气孔，一种是冶金气孔，与电弧熔化焊相同，是由于焊接过程中材料污染或空气侵入;另一种是工艺气孔，它是由激光深熔焊接过程中固有的小孔不稳定波动引起的。

在激光深熔焊接过程中，由于液态金属的粘性作用，小孔常常滞后于光束运动，其直径和深度在等离子体/金属蒸汽的影响下波动。随着梁的运动和熔池金属的流动，由于熔池金属的封闭流动，在不完全深熔焊接中，气泡出现在小孔尖端，而在全熔透深熔焊接中，气泡出现在小孔中部的腰部。气泡随着液态金属的流动而迁移和滚动，或者从熔池表面逸出，或者被推回小孔。当气泡被熔池凝固并被金属锋捕获时，它们就变成了焊缝气孔。显然，冶金气孔主要是通过焊前表面处理控制和焊中合理的气体保护来控制的，而工艺气孔的关键是保证激光深熔焊时小孔的稳定性。根据国内对激光焊接技术的研究，铝合金激光深熔焊的气孔控制应考虑焊前、焊接过程和焊后处理的所有环节，可归纳如下。

(1)焊前处理方法。

焊前表面处理是控制铝合金激光焊接冶金气孔的有效方法。通常，表面处理方法包括物理机械清洗和化学清洗。近年来出现了激光冲击清洗，这将进一步提高激光焊接的自动化程度。

(2)焊接工艺参数稳定性的优控制。

铝合金激光焊接的工艺参数通常主要包括激光功率、离焦量、焊接速度、气体保护成分和流量，等。这些参数不仅影响焊接区域的保护效果，还影响激光深熔焊接过程的稳定性，从而影响焊缝气孔。通过铝合金薄板的激光深熔焊，发现小孔熔深的稳定性影响熔池的稳定性，进而影响焊缝成形，造成焊缝气孔缺陷。此外，激光深熔焊接的稳定性与激光功率密度和线数量的匹配有关。因此，确定合理的工艺参数是稳定焊缝成形的有效措施。全熔透稳定焊缝成形特性的研究结果表明，焊缝背面宽度与焊缝表面宽度之比(焊缝背面宽度比)可以用来评价铝合金薄板焊缝的成形性和稳定性。当薄板激光焊接的激光功率密度和线能量合理匹配时，可以保证一定的焊缝背宽比，有效控制焊缝气孔。

(3)双点激光焊接。

两点激光焊接是指两个聚焦激光束同时作用于同一熔池的焊接过程。在激光深熔焊接过程中，焊缝气孔形成的主要原因之一是小孔气体被封闭在熔池中。使用双点激光焊接时，由于两个光源的作用，小孔的开口较大，有利于内部金属蒸汽的逸出和小孔，的稳定，从而减少焊缝气孔。对A356、AA5083、2024和5A90铝合金的激光焊接研究表明，双点激光焊接可以显著降低焊缝孔隙率。