鋁合金及鋁制品激光焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

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

　　鋁及其合金因具有良好的耐蝕性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和高的比強(qiáng)度而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在產(chǎn)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(guó)防、航空航天、娛樂和體育器材等制造領(lǐng)域越來越廣泛的運(yùn)用，鋁合金焊接技術(shù)也在突飛猛進(jìn)地發(fā)展，其表現(xiàn)可歸為3方面。其一，基于對(duì)傳統(tǒng)焊接技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新而出現(xiàn)的新型鋁合金焊接技術(shù)，如低頻調(diào)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(shù)在鋁合金焊接領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)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(lǐng)域中的出現(xiàn)。

　　鋁合金焊接的特點(diǎn)
　　鋁合金由于重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好及低溫性能好等特點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。

　　鋁合金焊接有幾大難點(diǎn)：

　　（1）鋁合金焊接接頭軟化嚴(yán)重，強(qiáng)度系數(shù)低，這也是阻礙鋁合金應(yīng)用的最大障礙；

　　（2）合金表面易產(chǎn)生難熔的氧化膜(A12O3其熔點(diǎn)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(chǎn)生氣孔；

　　（4） 鋁合金焊接易產(chǎn)生熱裂紋；

　　（5） 線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形；

　　（6） 鋁合金熱導(dǎo)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(shù)
　　目前，生產(chǎn)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(chǎn)效率低等缺點(diǎn)。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(fù)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(diǎn)。

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

　　與傳統(tǒng)的TIG、MIG 焊相比，用激光來焊接鋁合金具有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

　　(2)冷卻速度快，能得到組織微細(xì)的焊縫，故焊接接頭性能良好。

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

　　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(tǒng)焊接工藝產(chǎn)生的缺陷，強(qiáng)度系數(shù)提高很大。但激光器功率一般都比較低，對(duì)鋁合金厚板焊　　　　　　接困難，同時(shí)鋁合金表面對(duì)激光束的吸收率很低，以及要達(dá)到深熔焊時(shí)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(fù)合焊
　　雖然用激光焊接鋁合金有許多優(yōu)勢(shì)，但仍存在較大的局限性，如設(shè)備成本高、接頭間隙允許度小、工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)等。為了更有效地焊接鋁合金，人們發(fā)展了激光-電弧復(fù)合焊接工藝。激光-電弧復(fù)合主要是激光與TIG 電弧、MIG 電弧及等離子體的復(fù)合。目前，該工藝在德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家研究比較多，并在汽車業(yè)中已有一定的應(yīng)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(fù)合焊還可以用來焊接車體及輪軸。不過國(guó)內(nèi)在該工藝的研究和應(yīng)用上基本還是空白。

　　鋁合金激光-電弧復(fù)合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對(duì)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(fù)合焊接方法來焊接鋁合金時(shí)，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(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)。能顯著提高焊接效率，這主要基于2種效應(yīng)：一方面是高的能量密度導(dǎo)致了高的焊接速度；另一方面是2種熱源同時(shí)作用在一個(gè)相同區(qū)域的疊加效應(yīng)。這種復(fù)合工藝的優(yōu)勢(shì)很多，潛力很大，在未來的汽車生產(chǎn)中必將具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　3 鋁合金的雙光束激光焊
　　激光單獨(dú)焊接鋁合金時(shí)會(huì)產(chǎn)生由于鑰孔塌陷而產(chǎn)生的氣孔。針對(duì)這個(gè)問題，人們又研究了雙束激光焊，發(fā)現(xiàn)雙束激光焊有相對(duì)較寬的焊寬和較低的焊縫深寬比，能提高鑰孔的穩(wěn)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(shí)第一束激光產(chǎn)生熔池，并對(duì)附近區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，累積的熱量使第二束激光照射該處時(shí)，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(shù)的應(yīng)用
　　1 鋁合金激光焊接技術(shù)在艦船建造中的應(yīng)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(wěn)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(yīng)用。

　　經(jīng)過近幾年的發(fā)展，MIG焊從焊接設(shè)備、焊接材料到焊接工藝，都日益走向成熟，獲得高質(zhì)量的MIG焊縫已經(jīng)成為可能。目前，國(guó)外鋁合金焊接90％以上采用MIG焊。國(guó)內(nèi)的鋁合金MIG焊技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。針對(duì)船用鋁合金的焊接以及MIG焊顯現(xiàn)出的突出優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用提供有力的保證。

　　造船業(yè)是激光焊接應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，造船的主要工藝是焊接，采用激光焊接的優(yōu)點(diǎn)在于可得到高強(qiáng)度的焊件，從而在設(shè)計(jì)上可減小所用材料的厚度，達(dá)到輕重量、高強(qiáng)度的目標(biāo)。美國(guó)經(jīng)計(jì)算得出航空母艦如采用激光焊接技術(shù)制造可減輕重量200t。實(shí)際上當(dāng)前歐洲的一些大型游輪的建造中，激光焊接的應(yīng)用達(dá)到20％左右，近期目標(biāo)達(dá)到50％。此外，海洋平臺(tái)、潛艇的結(jié)構(gòu)件還有許多激光焊接的例子。

　　2 鋁合金焊接技術(shù)在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)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(jié)能和環(huán)保問題的最有效的措施。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的方法主要有修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、縮小汽車規(guī)格和采用新型材料。其中采用輕型的結(jié)構(gòu)材料是最有潛力的一種方法。由于鋁合金具有高比強(qiáng)度、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、再生性好和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)點(diǎn)，能滿足汽車工業(yè)的上述要求，故在汽車業(yè)中倍受青睞。大量的對(duì)比研究和反復(fù)實(shí)踐證明，選用鋁合金材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。鋁合金在汽車中的應(yīng)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(dòng)力性能等，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(diǎn)，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(qiáng)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(dǎo)熱導(dǎo)電性好、線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)常會(huì)有氣孔、裂紋、咬邊、焊縫成形差等缺陷出現(xiàn)，并且焊后接頭力學(xué)性能下降。為了實(shí)現(xiàn)汽車生產(chǎn)中高的生產(chǎn)率和高的焊接質(zhì)量相容性的要求，提高鋁合金的焊接技術(shù)、開發(fā)和應(yīng)用新的焊接方法對(duì)鋁合金在汽車中的廣泛應(yīng)用具有重要的意義，這也是真正實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的技術(shù)關(guān)鍵之一。

　　為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，解決節(jié)能、環(huán)保等問題，鋁合金在汽車中的應(yīng)用不斷增加，這是汽車發(fā)展的趨勢(shì)，也是社會(huì)發(fā)展的需求。由于鋁合金的物理化學(xué)性能特殊，焊接時(shí)有一定困難，很大程度上制約了鋁合金在汽車中的廣泛應(yīng)用。提高鋁合金的焊接技術(shù)、開發(fā)和應(yīng)用新的焊接方法是提高汽車鋁化率所必須攻克的技術(shù)關(guān)鍵之一。其中激光焊、激光-電弧復(fù)合焊、雙光束激光焊及摩擦攪拌焊就是近年發(fā)展起來的焊接鋁合金的新工藝，在國(guó)外轎車生產(chǎn)中已有了一定的應(yīng)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(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，也為我國(guó)汽車鋁合金化程度的進(jìn)一步提高提供了寶貴的借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

　　奧迪、奔馳、大眾、沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等鈑金結(jié)構(gòu)，90年代美國(guó)通用、福特和克萊斯勒公司競(jìng)相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、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(qiáng)鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用得越來越多。

 　　激光焊接還廣泛應(yīng)用到變速箱齒輪、半軸、傳動(dòng)軸、散熱器、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)工藝。應(yīng)當(dāng)看到我國(guó)一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車型中采用激光焊接技術(shù)，而且從激光焊接技術(shù)本身研究的角度看，我國(guó)一些科研院所在一些具有特色的領(lǐng)域取得了具有特色的成果。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接技術(shù)一定會(huì)在汽車制造領(lǐng)域取得豐碩的成果和廣泛的應(yīng)用。

　　3 鋁合金焊接技術(shù)在航天工業(yè)中的應(yīng)用
　　鋁合金因其特性已成為在航天工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料。例如，鋁合金是運(yùn)載火箭及各種航天器的主要結(jié)構(gòu)材料。美國(guó)的阿波羅飛船的指揮艙、登月艙，航天飛機(jī)氫氧推進(jìn)劑貯箱、乘務(wù)員艙等也都采用了鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料。我國(guó)研制的各種大型運(yùn)載火箭也廣泛選用了鋁合金作為主要結(jié)構(gòu)材料。

　　航天技術(shù)的發(fā)展對(duì)鋁合金的強(qiáng)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(fā)展。因?yàn)槊考尤?%的Li，可使鋁合金質(zhì)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(jī)產(chǎn)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(lián)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(kuò)展速率低，強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率相近、焊接性較好。

　　鋁合金是航天產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)材料之一。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，鋁合金家族不斷壯大。在美國(guó)和俄羅斯，2219、1201、1420鋁合金都已獲得了廣泛的應(yīng)用，2195鋁合金也已開始應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，S147和2195等在未來航天型號(hào)中的應(yīng)用前景不容忽視。載人航天和可重復(fù)使用航天器對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的可靠性提出了更高的要求。隨著這一進(jìn)程的出現(xiàn)，新焊接技術(shù)在航天工藝焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用必將獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，焊接自動(dòng)化和高的質(zhì)量及可靠性保證能力將是21世紀(jì)對(duì)焊接技術(shù)的基本要求。尤其是鋁合金中厚板和厚板焊接技術(shù)在近幾年將成為航天焊接工作者研究和推廣的熱點(diǎn)之一。

　　美國(guó)在20世紀(jì)70年代初的航空、航天工業(yè)中就已利用15kW的CO2激光器針對(duì)飛機(jī)制造業(yè)中的各種材料、零部件，進(jìn)行焊接試驗(yàn)、評(píng)估工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。在歐盟國(guó)家中，意大利首先于20世紀(jì)70年代末從美國(guó)引進(jìn)15kW的CO2激光器，隨后由聯(lián)盟對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天工業(yè)中的各種容器及輕量級(jí)結(jié)構(gòu)立項(xiàng)，開展了長(zhǎng)達(dá)8年的激光焊接應(yīng)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(yīng)用成果是鋁合金飛機(jī)機(jī)身的制造，用激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的鉚釘，從而減輕飛機(jī)機(jī)身的重量近20％，提高強(qiáng)度近20％，此項(xiàng)技術(shù)計(jì)劃用于空中客車3l8、380以及一些無人駕駛飛機(jī)的制造。

　　結(jié)束語
　　鋁合金焊接技術(shù)作為鋁合金在工業(yè)領(lǐng)域中擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，必然會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。其中應(yīng)用普遍的脈沖MIG，TIG焊會(huì)隨著微處理器(MCU)和數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)為核心的全數(shù)字化焊機(jī)的不斷進(jìn)步而使更多以前只停留在鋁合金焊接理論上的技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。激光焊、激光一電弧復(fù)合焊、雙光束激光焊是近年發(fā)展起來的焊接鋁合金的新工藝，新興的攪拌摩擦焊一出現(xiàn)就顯示了其焊鋁的巨大優(yōu)勢(shì)，不久以后很可能會(huì)代替MIG焊，承擔(dān)大部分鋁合金焊接工作量。

　　鋁合金激光焊接最為引人關(guān)注的特點(diǎn)是其高效率，而要充分發(fā)揮這種高效率就要把它運(yùn)用到大厚度深熔焊接中。因此，研究和使用大功率激光器進(jìn)行大厚度深熔焊接將是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。大厚度深熔焊更加突出了小孔現(xiàn)象及其對(duì)焊縫氣孔的影響，因此小孔形成機(jī)理及其控制變得更加重要，它必將成為未來學(xué)術(shù)界及工業(yè)界共同關(guān)心和研究的熱點(diǎn)問題。