铝合金激光焊接技术研究进展

赵耀邦，张小龙，李中权，朱晓星

（上海航天精密机械研究所，上海201600）

铝合金激光焊接技术研究进展

赵耀邦，张小龙，李中权，朱晓星

（上海航天精密机械研究所，上海201600）

综述铝合金激光焊接技术特点及研究现状，开展3mm厚LF6铝合金激光-MIG电弧复合焊接工艺研究。文献综述表明，铝合金激光自熔焊接表面成形不好，且易于产生气孔缺陷，激光填丝焊、激光-电弧复合焊以及双光束激光焊等能够有效地解决上述铝合金激光焊接问题。试验研究表明，激光-MIG电弧复合焊接LF6铝合金可获得良好的焊缝成形，内部质量达到QJ1666A-2011Ⅰ级焊缝质量要求，接头强度达到母材的90%以上，具备较为优异的力学性能。

铝合金激光焊接；激光-电弧复合焊；激光填丝焊

0 前言

铝及铝合金耐腐蚀性好、比强度较高、导热性以及低温力学性能良好，广泛应用于工业领域。尤其在航空航天领域使用了大量的铝合金薄壁焊接结构，飞机机身是铝合金蒙皮和桁条的焊接（或铆接）结构，运载火箭推进剂贮箱均为铝合金焊接结构。

搅拌摩擦焊接铝合金具有焊接质量好、变形小等诸多优点，但该方法对工件的装配以及接头形式的要求近乎苛刻，缺乏一定的工艺柔性。氩弧焊作为一种焊接质量较好、成本较低的熔焊方法，是铝合金焊接的重要方法。与碳钢相比，铝合金导热系数为其5倍，线膨胀系数为其2倍，这表明铝合金焊接需要更高的焊接热输入，同时铝合金材料更易变形，而铝合金的弹性模量只有钢的三分之一，加上薄壁结构自身刚性不足，焊接变形的问题更加突出[1]。铝合金薄壁结构氩弧焊接变形带来产品形位公差超标、尺寸不稳定等一系列问题。

焊接残余变形是被焊结构在焊接热源不均匀加热作用下的热应力所产生的，因此减少焊接线能量是从源头上控制焊接变形的重要措施。激光焊与氩弧焊相比，激光束光斑直径小，能量密度高，可以精确控制焊接热输入，焊接线能量小，激光焊接变形和残余应力均很小。随着低成本、高效率、高光束质量的大功率光纤激光出现，为激光焊接技术在铝合金材料的应用带来新的发展契机。

1 铝合金激光焊接技术发展现状

1.1 铝合金激光自熔焊

对于铝合金激光焊来说，铝合金表面对激光的初始反射率较高，需要较大的激光功率；光斑直径小，工件对中、间隙适应性较差，对焊接工装和光束的精确调整要求较高；焊接过程加热和冷却速度快，加之匙孔效应导致合金元素蒸发，焊接气孔缺陷多；激光能量密度集中，匙孔效应导致合金元素的挥发、烧损严重，易出现焊缝下凹和咬边现象。对于钣金成形的薄壁结构件，由于其成形精度难以精确控制，焊接装配间隙较大，并且不可避免地存在一定的错边，都为激光自熔焊接技术在铝合金薄壁结构件的推广和应用带来了困难。

鉴于上述铝合金激光自熔焊特点，激光自熔焊技术一般只用于较薄结构密封焊以及对焊接质量要求不高的情况。

1.2 铝合金激光填丝焊

与激光自熔焊相比，激光填丝焊放宽了焊接工艺要求；通过填充不同成分的焊丝，改善焊缝组织力学性能，改变焊缝金属流动特性，改善焊缝成形，抑制气孔、裂纹等缺陷的产生；利用较小功率的激光器来实现厚板窄焊道多层焊；激光填丝的效率与传统的自熔焊差不多，参数选择适当时，大于激光自熔焊的焊接效率[2]。

飞机壁板是激光填丝焊接技术最为典型的应用。欧洲空客从20世纪90年代初开始进行铝合金壁板双侧同步激光填丝焊接研究，2000年完成首件A318机身下壁板的激光焊接，2003年开始批量生产应用，目前A318、A340、A380机身下壁板均采用激光焊接。

我国正在研制的C919大型客机，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室开展了机身壁板双侧激光同步填丝焊接铝合金T型接头的研究工作，为实现国产大型客机机身壁板的激光焊接提供装备和工艺支撑[3]。

1.3 铝合金激光-电弧复合焊

激光-电弧复合焊接技术是20世纪70年代英国帝国理工大学W.Steen教授提出来的一种复合热源焊接方法[4]，如图1所示。激光-电弧复合焊接兼有激光和电弧各自的优势，又弥补了各自的不足之处，其特点如下：电弧的加热延长了单激光焊接的凝固速度快的问题，有利于减少气孔、裂纹缺陷，电弧焊丝作用可改善焊缝冶金，提高激光对间隙、错变的工艺适应能力。因此，激光-MIG电弧复合焊接技术是实现铝合金薄壁结构件的高效、高适应性、优质焊接的最佳方法之一[5]。

图1 激光-MIG电弧复合焊接示意

在国外，铝合金激光-MIG电弧复合焊接技术已经广泛应用于航空航天、汽车、高速列车等领域。

德国大众汽车公司已将激光-MIG电弧复合焊接技术用于铝合金汽车框架和轿车车门的焊接。最近几年，激光焊在高速列车制造领域快速发展，英国TWI、德国BIAS均开展了用于高速列车的铝合金蜂窝板结构激光-MIG复合焊技术。在日本，已建成了铝合金车体激光-MIG复合焊生产线[6]，如图2所示。

近年来，国内的哈尔滨工业大学、北京工业大学、华中科技大学以及哈尔滨焊接研究所均开展了铝合金激光-MIG电弧复合焊接技术的基础研究，长春轨道客车、唐山轨道客车以及中船重工725所开展了工艺应用研究，结果表明采用激光-MIG电弧复合焊接技术可实现铝合金结构件的优质焊接。

1.4 铝合金激光-电弧双面焊接技术

采用激光-电弧复合焊接（即一般意义上的同侧复合焊接）铝合金，由于激光需穿过电弧后才能作用于工件，电弧等离子体对激光的吸收、散焦以及折射作用不可避免地造成激光能量的损耗。为此，哈尔滨工业大学苗玉刚博士提出了激光-TIG电弧双面焊接铝合金技术[7-9]，研究表明根据激光与电弧热输入的不同，呈现3种典型接头形状：小束腰“X”型、中束腰“X”型、大束腰“X”型，如图3所示，同时焊接过程稳定、焊接效率大幅度提高，工艺适应性较传统单激光焊接明显增强。

1.5 铝合金双光束激光焊接技术

为了解决常规单光束激光焊存在的局限性，将单光束激光分离成两束激光，通过改变两束激光能量配比、光束间距、排布方式，对激光焊接温度场和流动场进行方便、灵活的调节，改变匙孔的存在模式和熔池的流动方式，提高单光束激光焊的工艺适应性，为激光焊接工艺提供更加广阔的选择空间。

美国学者J.XIE研究了铝合金双光束激光焊接技术，研究表明双光束激光焊接铝合金可显著改善焊缝表面成形和咬边缺陷以及减少气孔缺陷[10]。此外，法国学者A.Haboudou、尼桑汽车研究所的T.Iwase、德国斯图加特大学的Andreas RuB均得到类似结果[11-13]。

图2 日本The Kinki Sharyo Co.，Ltd.铝合金高速列车激光-MIG焊生产线

图3 典型热输入条件下双面焊的接头形状

2 3mm厚LF6铝合金激光-MIG复合焊接

2.1 试验条件

试验在机器人光纤激光焊接系统上进行，系统由4kW的IPG光纤激光器、福尼斯TPS4000型MIG/MAG焊接电源以及KUKA机器人组成，德国Precitec YW52激光焊接头和福尼斯推拉丝焊枪组成激光-MIG复合焊接头，激光焊接头与MIG焊枪采用可调节的机械夹持机构，可调整激光束与MIG电弧之间的夹角和距离（光丝间距），复合焊接头整体置于机器人臂上，如图4所示。焊接试验采用母材为3 mm厚5A06铝合金（LF6）板材，试板尺寸100mm×300mm。

图4 激光-MIG电弧复合焊接系统

2.2 焊缝成形

铝合金激光-MIG电弧复合焊接主要工艺参数为光丝间距、焊接速度、激光功率P、离焦量Δf、MIG电流、MIG气流量、焊丝干伸、MIG电弧弧长修正等。通过优化工艺参数，可获得良好的铝合金激光-MIG复合焊接焊缝成形，如图5所示。通过X射线探伤焊缝内部质量，达到QJ1666A-2011Ⅰ级焊缝质量要求。

图5 铝合金激光-MIG复合焊接表面成形

2.3 接头力学性能

在电子拉伸试验机上对铝合金激光-MIG复合焊接接头进行力学拉伸试验，均断裂在焊缝和热影响区，这表明焊缝及热影响区依然是接头的薄弱环节，如图6所示。接头平均强度338 MPa，达到母材强度的95%以上，接头平均延伸率14.1%，达到母材的76%以上，具备良好的力学性能。

2.4 铝合金激光-MIG复合焊接变形

为了定性描述铝合金激光-MIG复合焊接对焊接变形的控制，对比测量平板TIG焊和激光-MIG复合焊接横向角变形和纵向挠曲变形的大小，如图7、图8所示。纵向最大挠曲变形TIG焊高达11.2mm，激光-MIG复合焊仅2.1mm；横向最大角变形TIG焊为8.6°，激光-MIG焊仅2.4°，这表明与常规的TIG焊工艺相比，采用激光-MIG电弧复合焊接能够更好地控制铝合金焊接变形。

图6 接头断裂形貌

图7 TIG及激光-MIG复合焊接角变形对比

4 结论

（1）铝合金激光自熔焊接表面成形不好，且易产生气孔缺陷，激光填丝焊、激光-电弧复合焊以及双光束激光焊等能够有效解决上述问题。

（2）对3 mm厚LF6铝合金进行激光-MIG复合焊接，通过工艺优化，可获得良好的焊缝表面成形，内部质量也达到QJ1666A-2011Ⅰ级焊缝质量要求。

（3）接头平均强度338 MPa，达到母材强度的95%以上，接头平均延伸率14.1%，达到母材的76%以上，具备良好的力学性能。

（4）铝合金激光-MIG复合焊接纵向挠曲变形和横向角变形均小于TIG焊。

图8 TIG及激光-MIG复合焊挠曲变形对比

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Development of laser welding for aluminum alloy

ZHAO Yaobang，ZHANG Xiaolong，LI Zhongquan，ZHU Xiaoxing
（Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute，Shanghai 201600，China）

Welding characteristics and recent advances of laser welding for aluminum alloy were reviewed，and laser-MIG hybrid welding for 3 mm thickness LF6 were studied.It was indicated that bad appearance and porosity were the main weld defects for laser welding without filler metal.Laser-arc hybrid welding，laser welding with filler metal and dual beam laser were the good methods for welding aluminum alloy.From the experiment results，the weld appearance of laser-MIG welding was fine,and met criteria of weld quality of QJ1666A-2011Ⅰ.The joint strength can be over the 90%of mother materials.

laser welding for aluminum alloy；laser-arc hybrid welding；laser welding with filler metal

TG456.7

C

1001－2303（2017）02－0008-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.02

2016-10-07

赵耀邦（1982—），男，高级工程师，博士，主要从事焊接、激光加工、表面工程技术等研究工作。

献

赵耀邦，张小龙，李中权，等.铝合金激光焊接技术研究进展[J].电焊机，2017，47（02）：8-12.