跟着镭射手艺跟铝合金研制手艺的开展，进一步发展铝合金镭射焊策应用手艺根底研讨、开发铝合金镭射焊接新工艺，更无效地拓展铝合金镭射焊接构造的利用后劲，从而相识铝合金镭射焊接手艺的利用惟妙惟肖状及开展趋向就显得尤为首要。
高强铝合金存在较高的比强度、比刚刚度，良好的耐侵蚀机能、加工机能跟力学机能, 已成为航空航天、舰船等载运领域构造轻量化制作不行或缺的金属资料，个中飞机利用最多。焊接手艺在进步构造资料应用率、加重构造分量、完成繁杂及异种资料整体构造低本钱制作方面独具上风，个中铝合金镭射焊接手艺是倍受存眷的热点。
与其余焊接法子相比，镭射焊接光束能量密度可达109W/cm2，同时存在加热集中、热伤害小、焊缝深宽比大、焊接变形小等上风，焊接进程易于集成化、主动化、柔性化，可完成高速高精度焊接，而且焊接进程无需真空环境，不发生X-ray，特殊合适繁杂构造的高精度焊接。该手艺在产业中所占比重已成为权衡一家国度产业加工程度高下的首要标记。如空客A380飞机跟奥迪A8车就以镭射焊接铝合金构造的利用作为其卓越性的标记。因而，镭射焊接是铝合金焊接手艺的首要开展方向。
跟着资料手艺的开展，各类高强高韧铝合金一直推出，尤其是第三代铝锂合金、新型高强铝合金的涌现，对于铝合金镭射焊接手艺提出了更多更高的要求，同时铝合金的多样性也带来了各类各样的镭射焊接新问题，以是必需深化研讨这些问题，能力更无效地拓展铝合金镭射焊接构造的利用后劲。
大功率镭射器
镭射焊接是将高强度镭射辐射至金属名义，经由过程镭射与金属间热力耦配合用使金属融化再冷却结晶构成焊缝的手艺。依据镭射焊接的热作用机制可分为热导焊跟深熔焊两种，前者次要利用于精细整机的封装焊接或微纳焊接；后者在焊接进程中往往发生相似于电子束焊接的小孔效应，构成深宽比拟大的焊缝。镭射深熔焊接完成须要的镭射功率高，该手艺今朝利用于镭射深熔焊接的大功率镭射次要有4品种型，其特色如表1所示。
CO2气体镭射的工作介质为CO2气体，输出10.6μm波长镭射，按镭射激起构造情势分为横流跟轴流两种。横流CO2镭射输出功率虽已达150kW，但光束品质较差，不合适焊接；轴流CO2镭射存在较好的光束品质，可用在对于镭射反射率高的铝合金焊接，商用镭射器功率也到达25kW。A318飞机铝合金下壁板便是采纳的CO2双光束镭射焊接。
YAG固体镭射工作介质是红宝石、钕玻璃跟掺钕钇铝石榴石等，输出波长为1.06μm的镭射。YAG镭射比CO2镭射更易于被金属排汇，而且受等离子体影响较小，为光纤传输，焊接操作机动，焊缝地位可达性好，是今朝铝合金构造焊接的次要镭射器。光泵浦Nd:YAG固体镭射因为高功率运行时泵浦灯输入能量发生大局部热损耗，造成镭射腔温度升高、招致镭射热透镜效应，使得YAG镭射功率跟光电能量转化效力低。比年来以半导体泵浦、镭射泵浦取代光泵浦固体镭射器，不只光束品质失去改善，并且能量转换率跟泵浦灯的使用寿命分明进步了，如近几年涌现的Yb:YAG Disc镭射，其镭射能量转换效力达20%，光束品质比肩光纤镭射器。
YLR光纤镭射是2002年当前开展起来的新型镭射器，以光纤为基质资料，掺杂不同的稀土离子，输出波长范畴在1.08μm阁下，也是光纤传输。光纤镭射反动性地采纳了双包层光纤构造，添加了泵浦长度, 进步了泵浦效力，从而使光纤镭射器的输出功率大幅进步。与YAG 镭射相比，YLR光纤镭射虽然涌现较晚，但存在体积小、运转本钱低、光束品质低等长处，并且取得的镭射功率高；如图1所示，镭射功率可达50kW。可见光纤镭射的涌现，分明进步了焊接熔深跟焊接速率。德国BIAS针对于AA6082铝合金进行的各类镭射焊接比照研讨成果标明：采纳5m/min的焊接速率，8kW 的YLR光纤镭射的熔深为9mm，6kW的YAG镭射焊接熔深为5mm，4kW的YAG镭射焊接熔深为3mm。而采纳17kW的YAG光纤进行焊接，焊接速率为6m/min，实焊缝熔深为12mm，焊接3mm厚板，最大焊接速率到达了20m/min，并且在功率跟束流质量间的调和限度减小时，濒临电子束焊接特性，并且可完成2000跟7000系列难焊铝合金的焊接。据英国镭射协会的考察统计（Dr. J. Powell and Prof. W.M.Steen），英国镭射焊接研讨的热点光纤镭射焊接跟铝合金厚板镭射焊接，德国BAM 研讨所（20 kW）、BIAS 研讨所（17 kW）跟IPG 公司（30 kW）等也在发展铝合金厚板镭射焊接的研讨，镭射深熔焊接可达25mm。
图1 大功率镭射器的开展历程
铝合金镭射焊接构造的利用研讨
自20人情冷暖纪90年月，跟着迷信手艺的开展，大功率高亮度镭射器的涌现，镭射焊手艺集成化、智能化、柔性化、多样化开展日趋幼稚，海内外愈加存眷镭射焊在各领域铝合金构造中的利用。
德国的高端轿车，如Audi、Golf、Passat等品牌均采纳铝合金车顶镭射焊接构造，从1999年起该手艺扩展到汽车底盘跟车身，并且基于镭射焊接跟镭射电弧复合焊接手艺的综合应用，该手艺在汽车制作中很好地解决了蒙皮厚度较小的构造焊接时变形的问题，以及变截面跟端部焊接的缺陷节制问题。今朝，镭射焊接手艺已成为汽车制作的尺度化工艺，遍及汽车车顶、车身、侧框等各个钣金构造，宝马、通用公司在车架顶部采纳镭射焊接，德国奔跑公司则采纳镭射焊接传动部件，分手触及Al-Mg系、Al-Mg-Si系及Al-Mg-Zn系铝合金。我国一些汽车制作厂家曾经在局部新车型中采纳镭射焊接手艺，跟着铝合金厚板镭射焊接手艺的开展，镭射焊接将来将利用于坦克车构造。
为了完成轻量化制作，在舰船跟高速列车构造制作中，铝合金三明治构造的镭射焊策应用与研讨是今朝的研讨热点。英国焊接研讨所为日本高铁制作商Nippon Sharyo开发的高速列车车墙板三明治铝合金镭射焊接构造，采纳3mm厚的AA6063轧板，应用光纤镭射电弧复合焊接完成了各类情势的接头焊接，个中镭射器为IPG 10 kW光纤镭射，添补资料为ER5356 焊丝，焊接镭射功率为4~5kW。AlCAN-Transrapid的高速列车铝合金车顶构造也采纳镭射焊接替换MIG焊接，采纳功率为4kW的YAG 镭射，焊接速率为5m/min，焊缝长度达20m。
铝合金是航空航天构造首要的金属构造资料，因而在日本、美国、英国、德国等发财国度非常看重铝合金镭射焊接手艺研讨。英国焊接研讨所胜利地运用4kW的Nd:YAG镭射填丝焊进行了AA2014铝合金带筋壁板的双光束YAG镭射焊接，采纳直径为1.2mm的ER2319 铝合金焊丝焊丝，焊接接头品质良好，焊接变形小于TIG 焊。Gobbi等研讨飞机机翼下的铝合金油箱的CO2镭射焊，接头气孔严峻，采纳YAG镭射焊可取得优质的焊接接头。空中客车公司与BIAS、Fraunhofer等研讨所配合，经10年尽力于2003年在德国跟法国空中客车部件出产厂完成了A318客机铝合金下壁板构造双光束CO2 镭射填丝焊以及YAG镭射填丝焊，焊接速率为4~10m/min，这种以焊代铆构造将加重飞机的近20％机身分量，下降制作本钱约20%，已利用在A318、A380跟A340系列飞机的壁板构造焊接中，如图2所示。将来还将利用于A350飞机壁板焊接，壁板数目将到达18块，焊缝总长度将到达1000m。跟着光纤镭射焊接手艺的开展，今朝卓越国度的航空制作领域已将光纤镭射焊接跟镭射电弧复合焊接手艺列为铝合金焊接手艺的重点，尤其是厚板焊接跟异种金属的焊接，如美国NALI名目针对于平易近机跟JSF飞机动员机焚烧室构造正在发展光纤镭射焊接跟镭射电弧复合焊接手艺的研讨。
铝合金镭射焊接的特色
与惯例融化焊相比，铝合金镭射焊接加热集中、焊缝深宽比大、焊接构造变形小，然而也具有一些有余，归结起来有：（1）镭射聚焦光斑直径细小招致工件焊接拆卸精度要求高，通常拆卸空隙、错边量需小于0.1mm或板厚的10％，增大了存在繁杂三维焊缝焊接构造的施行难度；（2）因为室温前提下铝合金对于镭射的反射率高达90%，因此铝合金镭射深熔焊接要求镭射用具有较高的功率。铝合金薄板镭射焊接研讨标明：铝合金镭射深熔焊接取决于镭射功率密度跟线能量双阈值，镭射功率密度跟线能量共同制约着焊接进程的熔池行动，并终极体惟妙惟肖到焊缝的成形特性上，对于于全熔透焊缝的工艺优化可经由过程焊缝成形特性参量背宽比进行评估；（3）铝合金熔点低，液体金属流动性好，在大功率镭射作用下发生强烈的金属汽化，在焊接进程中随同小孔效应所构成的金属蒸汽/ 光致等离子体云影响铝合金对于镭射能量的排汇，招致深熔焊接进程不波动，焊缝易于发生气孔、名义陷落、咬边等缺陷；（4）镭射焊接加热冷却速率快，焊缝硬度比电弧的高，但因为铝合金镭射焊接具有合金元素烧损，影响合金强化作用，铝合金焊缝仍旧具有硬化问题，从而下降铝合金焊接接头的强度。因而铝合金镭射焊接的次要问题是节制焊缝缺陷跟进步焊接接头机能。
铝合金镭射焊接缺陷节制手艺
在大功率镭射的作用下，铝合金镭射深熔焊缝的次要缺陷是气孔、名义陷落跟咬边，个中名义陷落、咬边缺陷能够经由过程镭射填丝焊接或镭射电弧复合焊接改善；而焊缝气孔缺陷节制则比拟难题。惟妙惟肖有的研讨成果标明：铝合金镭射深熔焊接具有两类特性气孔，一类为冶金气孔，同电弧融化焊一样，因为焊接进程资料净化或空气侵入所招致的氢气孔；另一类为工艺气孔，是因为镭射深熔焊接进程所固有的小孔不波动稳定所致。在镭射深熔焊进程中，小孔因液体金属粘滞作用往往滞后于光束挪动，其直径跟深度受等离子体/金属蒸汽的影响发生稳定，跟着光束的挪动跟熔池金属的流动，未熔透深熔焊接因熔池金属流动闭合在小孔尖端涌现气泡，全熔透深熔焊接则在小孔中部细腰处涌现气泡。气泡随液体金属流动而不可动摇移、翻腾，或逸出熔池名义，或被推回到小孔，当气泡被熔池凝结、被金属前沿俘获，即成为焊缝气孔。显然冶金气孔次要靠焊前名义处置节制跟焊接进程合理的气维护所节制，而工艺气孔要害便是保障镭射深熔焊接进程小孔的波动性。依据海内镭射焊接手艺的研讨，铝合金镭射深熔焊接气孔节制应综合斟酌焊接前、焊接进程、焊接后处置各个环节，归纳起来有以下新工艺跟新手艺。
（1）焊前处置法子。焊前名义处置是节制铝合金镭射焊缝冶金气孔的无效法子，通常名义处置法子有物理机器清算、化学清算，比年来还涌现了镭射打击清算，这将进一步进步镭射焊接主动化水平。
（2）焊接工艺参数波动性优化节制。铝合金镭射焊接进程工艺参数通常次要有镭射功率、离焦量、焊接速率，以及气维护的身分跟流量等。这些参数既影响焊接区域的维护后果，又影响镭射深熔焊接进程的波动性，从而影响焊缝气孔。经由过程铝合金薄板镭射深熔焊接发觉，小孔穿透波动性影响熔池波动性，进而将影响焊缝成形造成焊缝气孔缺陷，并且镭射深熔焊接波动性与镭射功率密度与线量婚配有关，因而肯定合理的波动焊缝成形的工艺参数是无效节制铝合金镭射焊缝气孔的无效办法。全熔透波动焊缝成形特性研讨成果显示：采纳焊缝反面宽度与焊缝名义宽度之比（焊缝背宽比），评估铝合金薄板焊缝成形及其波动性。当薄板镭射焊镭射功率密度与线能量合理婚配时，可保障必定焊缝背宽比，并可无效地节制焊缝气孔。
（3）双光点镭射焊接。双光点镭射焊接是指两束聚焦镭射束同时作用在统一熔池的焊接进程中。在镭射深熔焊接的进程中，霎时闭合将小孔中的气体关闭在熔池中是焊缝气孔构成的次要起因之一。当采纳双光点镭射焊接时，因为两束光源的作用，造成小孔启齿较大有益于外部金属蒸气逸出，也有益于小孔的波动，从而能减少焊缝气孔。对于A356、AA5083、2024 跟5A90铝合金镭射焊接的研讨均显示：双光点镭射焊可显著减少焊缝气孔。
（4）镭射电弧复合焊接。镭射电弧复合焊接是将镭射与电弧作用在统一熔池的焊接法子。普通以镭射为次要热源，应用镭射与电弧的互相作用，进步镭射焊接熔深跟焊接速率，下降焊接拆卸精度。应用添补焊丝调控焊接接头的组织机能，应用电弧的帮助作用改善镭射焊接小孔的波动性，从而有益于减少焊缝气孔。在镭射电弧复合焊接进程中，电弧影响镭射进程诱发的金属蒸汽/等离子体云，有益于资料对于镭射能量的排汇跟小孔的波动性。对于铝合金镭射电弧复合焊接焊缝研讨成果也证明了其后果。
（5） 光纤镭射焊接。镭射深熔焊接进程的小孔效应源于镭射作用下金属发生强烈汽化。金属汽化蒸汽力与镭射功率密度跟束流质量亲密相干，不只影响镭射焊接的熔深，也影响小孔波动性。Seiji. 等对于SUS304不锈钢大功率光纤镭射研讨显示：高速焊接时熔池拉长，克制了飞溅，小孔稳定波动，小孔尖端无气泡发生，当光纤镭射用在钛合金、铝合金高速焊接时，同样可取得无气孔的焊缝。Allen 等对于钛合金光纤镭射焊接维护气体节制手艺研讨显示：经由过程节制焊接维护气体的地位，可避免气体的卷入，减少小孔闭合光阴，波动焊接小孔，并转变熔池的凝结行动，从而减少焊缝气孔。
（6） 脉冲镭射焊接。与持续镭射焊接相比，镭射输出采纳脉动方式输出，可促使熔池发生周期性波动流动，有益于熔池气泡逸出而减少焊缝气孔。T Y Kuo跟S L Jeng研讨了YAG 镭射焊接镭射功率输出方式，对于SUS 304L不锈钢跟inco
nel 690低温合金焊缝气孔及机能的影响成果标明：对于于方波脉冲镭射焊接来说，当基值功率为1700w时，跟着脉冲幅值ΔP的添加，焊缝气孔减少，个中不锈钢的气孔率由2.1% 降至0.5%，低温合金的气孔率由7.1% 降至 0.5%。
（7）焊后复合处置手艺。在实际工程利用中，即便焊行进行了严厉的名义处置，焊接进程波动性较好，铝合金镭射焊接也会不行防止地发生焊缝气孔，因而应用焊后处置打消气孔的法子是很首要的。该法子今朝次要是修饰焊。热等静压手艺是铝合金铸件打消外部气孔跟缩松的法子之一，将其与铝合金镭射焊后应力热处置联合，构成铝合金镭射焊接构件热等静压与热处置组成复合工艺，既打消焊缝气孔，又改善接头机能。
停止语
因为镭射深熔焊接自身的长处，使镭射焊接铝合金在外洋遭到了普遍地存眷，并已成为航空航天、车辆、舰船等载运对象构造制作手艺的首要研发方向，尤其是光纤镭射与Disc镭射等新型高亮度大功率根底的开展，进一步拓展了铝合金镭射焊接构造利用远景。然而，因为铝合金特征，大功率镭射焊策应用还具有许多问题有待深化研讨，其次要问题便是节制焊缝气孔缺陷，进步焊接品质。铝合金镭射焊缝气孔工程化节制应综合斟酌焊接前、焊接进程、焊接后处置的各个环节，从而进步焊接进程波动性。由此已衍生出良多新手艺新工艺，如焊前镭射清算、焊接工艺参数背宽比节制优化、双光束镭射焊、镭射电弧复合焊、脉冲镭射焊跟光纤镭射焊接等。
作者：北京航空制作工程研讨所 陈俐 巩水利
