铝合金激光焊接的优化措施

文／沈义·武汉法利莱切焊系统工程有限公司

铝合金激光焊接的优化措施

文／沈义·武汉法利莱切焊系统工程有限公司

本文简要说明铝合金的应用特性及焊接特性，从焊接准备、加焊缝保护气、采用双光斑激光焊、激光填丝焊或激光-MIG复合焊、工艺参数调节等方面说明铝合金激光焊的质量保障方法，工业生产中还可以借助现有的高端激光头来稳定焊接质量。

铝合金应用特性

铝合金因材质轻、耐腐蚀、低温性能和机械综合性能好而广泛应用于航空、航天、汽车、船舶及化工等众多领域。随着近年国家对节能经济的追求，铝合金的需要又上了一个台阶。目前，汽车行业中适用的铝合金主要有Al-Mg(5000系列)、Al-Mg-Si(6000系 列)及Al-Mg-Zn(7000系 列)三大系列，汽车外壳多用耐蚀可焊的5000系合金，而梁柱等强度要求较高的部位则用6000系或7000系合金。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的重量可以把油耗降低37%，悬挂装置的负荷降低18%，振动强度降低5%。在各大汽车厂加大对铝合金零件研发与制造投入的同时，铝合金焊接又成为一个需要重点解决的基础问题。

铝合金焊接特性

目前，主要采用TIG焊、MIG焊等常规方法来焊接铝合金。采用常规方法焊接，热输入量大导致焊缝宽大且熔深较浅，铝合金导热快，冶金时高温溶解大量的氢来不及溢出产生氢气孔；由于冶金速度快焊缝金属晶粒粗大，焊接接头软化可使强度减少40%；铝合金熔点低而导热快，熔融金属流动性差而使焊缝成形不美观；受热面积大，加工材料容易变形而影响加工尺寸精度。铝合金常规焊接质量难以保障，且焊接速度难以满足批量生产要求。

随着激光加工应用普及化水平的提升，采用激光焊接铝合金，热输入量小且热源集中，特别是光纤激光器问世后，激光焊接铝合金的能量密度更加集中，激光波长更短，高反射得到改善。通过激光填丝、激光-MIG复合焊、双光斑激光焊等工艺，可明显改善铝合金焊接的成形效果，也使焊接质量得到改善。

无论是何种焊接方法，铝合金焊接前准备工作是必不可少的。焊接前对铝合金件表面进行无水酒精或丙酮擦试，以清除表面所吸附的水或油等杂质。为防止工件在空气中被氧化，需要对工件进行机械打磨或化学处理并烘干，以尽快完成焊接。为了加快铝合金焊接时的熔池流动性，可以在铝合金工件焊接背面加垫铜板以改善焊缝成形效果。焊接时要隔绝空气，采用氩气保护，以减少气孔的产生。

激光焊接优化措施

铝合金激光焊接开始时，存在高反射现象，严重影响材料对激光能量的吸收，而波长越短，材料对光的吸收就越好，因此，光纤激光比CO2激光更容易被铝合金所吸收。光纤激光的光束模式使能量密度更加集中，要优于CO2激光。一旦材料开始吸收光能，液态金属对光的反射率就明显下降。

采用双光斑激光焊，能够明显改善气孔率，主要是因为采用双光束进行焊接时，两束光形成一个相对较大的匙孔，提高了匙孔的稳定性，有利于气体的逸出。图1所示为双光束激光焊的两种焊接模型，相比于串行双光束，采用并行双光束焊接时，熔池内部温度梯度更小，降低了液态金属凝固速度，延长气泡的逸出时间，有利于减小气孔倾向。并行双光束激光焊也能提高送丝的稳定性，对稳定焊接质量有利。

采用激光填丝焊，相比铝合金激光自熔焊，能够得到更好的成形。激光填丝焊能够兼容激光焊的高能量密度和填丝焊的高桥接能力，对于有一定间隙的焊缝，能够保证良好的成形效果。通过选择不同的填充材料，可以对母材进行不同的化学冶金，起到补充合金元素及相变强化的功效。

图2所示为单激光焊与激光-MIG复合焊的焊接模型，采用激光复合焊，通过激光与电弧的复合，能够有效消除激光焊接等离子体对激光束传输的影响。通过光丝间距、吹气、焊枪角度等参数的调节，能够获得美观的焊缝，而且对于厚板无需开坡口或只需开小坡口就可以形成良好的焊缝。

采用功能强大的激光头，能够稳定焊接质量。目前由Scansonic和HighYAG所研制的激光头，可在一定范围内上下浮动、左右摆动而不改变光斑大小，也不影响光丝配合，能够减小材料因加工而产生的少量尺寸偏差，从而改善由此引起的焊接缺陷，非常利于大批量的生产应用。

采用合适的焊接工艺参数，能够保证焊接质量。图3所示为6061铝合金激光填丝焊接的激光功率和焊接速度的优化参数范围关系图。从该图中可以看到，激光功率和焊接速度的优化匹配参数曲线呈直线式上升，斜率基本保持不变。每一个给定的激光功率值，在优化参数曲线上都有一个优化的焊接速度与之对应，且焊接速度在一定范围内变化时仍能获得成形质量好的焊缝，此区域属于焊接稳定区。在某一功率值时，当焊接速度过大，热输入变小，铝合金板材不能焊透，此时焊接速度过大则向上超过稳定区范围，属于未熔透区；当焊接速度过小，热输入过大，熔池下塌严重，此时属于熔池坍塌区。因此，获得稳定的焊缝需要匹配合适的焊接工艺参数。