激光熱處理:鋁合金激光焊接技術(shù)新進展

鋁及鋁合金是目前制造業(yè)領(lǐng)域應用最為廣泛的有色金屬材料，在重工制造、裝修建材、食品機械、船舶機械以及新能源動力電池等領(lǐng)域均有大量的應用。與此同時，由于不同系列鋁合金焊接性能差異較大，焊接難度大，成為其進一步發(fā)展的瓶頸。為解決這些難點，越來越多的技術(shù)人員投入到這項領(lǐng)域的研究當中，也不斷有新的技術(shù)工藝面世，為鋁合金應用的進一步發(fā)展提供了更多可能。

鋁及鋁合金的焊接之所以成為難點，主要還是因為其自身的性能。鋁合金成分復雜，除一系工業(yè)純鋁以外，其他各系列鋁合金均摻雜大量其他金屬及非金屬成分。這些金屬及非金屬元素的物理及化學性能與鋁本身差異較大，在焊接過程中易出現(xiàn)氣孔、裂紋以及焊縫處力學性能差等焊接缺陷。對于激光焊接來說，鋁及鋁合金屬于高反材料，如何提高其對激光的吸收率以及防止反光損傷激光器成為亟待解決的問題。針對鋁合金存在的焊接難點，各大激光器廠商及集成商也都在各自的領(lǐng)域推出各種方式來加以解決。

激光器改善

抗高反

鋁及鋁合金材料屬于高反材料，對于1080nm波長激光吸收率不高，影響加工過程的穩(wěn)定性，特別是在焊接過程中，會存在更高的回返現(xiàn)象，常常因為高反導致激光器壽命降低，甚至導致泵源燒毀。近幾年來，各激光器廠商對此都投入了大量的精力來解決這一問題，有從內(nèi)部光閘入手，安裝回返光隔離器（圖1），也有從QBH頭入手，從源頭剝離回返光。目前這些解決方案都已經(jīng)取得了不錯的實際使用效果，從這一點來說，未來可期。

圖1 回返光隔離器

光束可調(diào)

各激光器廠商從光束著手，推出了光束可調(diào)技術(shù)，具有代表性的是IPG的AMB激光器（產(chǎn)生的光束如圖2所示）和Nlight的Corona激光器。通過調(diào)節(jié)光束模式，產(chǎn)生一個更大更穩(wěn)定的匙孔，環(huán)形光束（圖3）使材料軟化，并朝熔池底部偏轉(zhuǎn)，減少焊接飛濺及氣孔，有效提升了鋁合金材質(zhì)的焊接質(zhì)量與效率。

圖2 AMB光束可調(diào)

圖3 Corona環(huán)形光斑

藍光激光器

由于銅鋁等高反材質(zhì)對紅外波段的吸收差，激光焊接時會產(chǎn)生大量飛濺，就不得不在焊接后再清潔零件，但是相比紅外波段，銅鋁材質(zhì)對于藍光的吸收更高，幾乎是紅外波段的十倍，藍光激光器可在更低的功率下焊接，并保持焊接的清潔度，因此各激光器廠商也紛紛推出了藍光激光器面向市場。

焊接工藝改善

在激光器廠商從光束方面解決問題的同時，眾多激光焊接集成商也紛紛推出各自的工藝來面向市場。

擺動焊接

搖擺焊接模式是指采用激光專用搖擺焊接頭對光束進行擺動（圖4），使光束加工范圍變大，對焊縫寬度有更好的容忍度，提升焊接質(zhì)量。

圖4 光束擺動方式

采用搖擺模式焊接鋁合金產(chǎn)品，通過光束的攪拌，可以更好地讓氣體逃逸出去，減少氣孔，從而改善焊接接頭的組織性能，如圖5所示。

圖5 焊接接頭組織性能對比

雙波長激光焊接

復合光源焊接金屬材料時，主光源光纖激光針對母材進行深熔焊，半導體激光作為次波段光源同步預熱材料并增加其熔融狀態(tài)的時間，有助于抑制焊接熱裂紋和焊接內(nèi)部氣孔的產(chǎn)生，同時提高焊接小孔的穩(wěn)定性，如圖6所示。另外，半導體激光能夠大大增加母材對激光的吸收率，在銅鋁等高反材料的焊接上具有很大優(yōu)勢。

圖6 單光源與復合光源焊接接頭組織性能對比

激光-MIG復合焊接

對于鋁合金厚板的焊接，采用單一激光作為熱源很難達到理想效果，目前行業(yè)企業(yè)基本上采用傳統(tǒng)電弧焊的焊接方式，需要開坡口，多層多道焊接，生產(chǎn)效率低下，工作強度大，焊接變形大，難以保證焊縫質(zhì)量。鍇軼激光與林肯電氣共同推出的激光-MIG電弧復合焊接（圖7）則很好地解決了這一痛點。

圖7 激光-MIG復合焊接

激光-MIG復合焊接具有焊接熔深大、焊接強度高的特點。單一的激光焊接由于焊接光斑小，功率密度高，對產(chǎn)品間隙及位置度要求較為敏感，而激光-MIG復合焊接對間隙及位置度誤差在1.6mm以內(nèi)時的包容度非常好，降低了裝配精度要求，也降低了生產(chǎn)成本。與此同時，激光與電弧之間的相互配合，也實現(xiàn)了互惠互利。激光通過壓縮電弧，對電弧起到了穩(wěn)定的作用，即使在高速焊接狀態(tài)下，也可以保持穩(wěn)定的電弧狀態(tài)。而電弧也促進了激光能量的吸收，在同等功率的情況下，可以得到更深的熔深。在焊接速度提升的同時，焊接變形量高可降低60%，節(jié)約了80%的工時，激光-MIG復合焊接的焊接效果如圖8所示。隨著工業(yè)級激光器輸出功率的逐步增大，大功率激光-MIG復合焊接也將應用于更多更厚的產(chǎn)品中去。

越來越多的解決方案不斷攻克了鋁合金的焊接難點，但沒有哪種焊接方式是完美普適的，針對不同的焊接需求，未來的發(fā)展一定是多元化、個性化的。鋁合金的完美焊接還有多遠？目前還找不到答案，每一次的技術(shù)進步都需要激光焊接從業(yè)者們持續(xù)不斷地探索。