激光焊接與傳統(tǒng)焊接相比具有熱輸入量及熱影響小、深寬比大、焊接過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。鋁合金質(zhì)量輕、韌性好，屈強(qiáng)比高、加工成形容易，廣泛用于容器、機(jī)械、電力、化工、航空、航天等焊接結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品上，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，可大大減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量。鋁是較為活潑的金屬，電離能低、導(dǎo)熱性很高，表面極易形成難熔的Al2O3膜，在焊縫中容易形成未熔合、氣孔、夾雜、熱裂紋等缺陷，降低焊接接頭的力學(xué)性能。與鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊相比，激光焊接焊縫窄、熱影響區(qū)小，搭接接縫減少，焊接過程精密可控，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。目前，激光焊接主要用于薄壁電子元器件、結(jié)構(gòu)件、航天件等，研究萬瓦級(jí)的光纖激光器用于大厚板深熔焊接是未來發(fā)展趨勢(shì)。
1 鋁合金分類和焊接性
鋁及鋁合金可分為1000系(工業(yè)純鋁)、2000系(Al-Cu 系)、3000系(Al-Mn 系)、4000系(Al-Si)、5000系(Al-Mg)、6000系(Al-Mg-Si)和7000系(Al-Zn-Mg-Cu)。按工藝特點(diǎn)鋁合金又可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，其中變形鋁合金分為兩類：非熱處理強(qiáng)化鋁合金和熱處理強(qiáng)化鋁合金。
不同鋁合金焊接性能各異，比如非熱處理強(qiáng)化的鋁及鋁合金1000系列、3000系列和5000系列具有良好的焊接性4000系合金的裂紋敏感性極低，對(duì)于5000系合金，當(dāng)ω(Mg)=2%時(shí)合金產(chǎn)生裂紋，隨著鎂含量升高，焊接性能有所改善，但延展性、耐蝕性變差。2000系、6000系和7000系合金的熱裂傾向較大，焊縫成形不良，焊后時(shí)效硬度顯著降低。
綜上所述，對(duì)于鋁合金焊接需采用合適的工藝措施，正確選擇焊接方法和填充材料，以獲得性能良好的焊接接頭。焊接前可對(duì)材料進(jìn)行表面處理，使用有機(jī)溶劑去除油污 灰塵，隨后再在 NaOH 溶液中浸洗，用流動(dòng)水將表面堿液沖洗干凈后再進(jìn)行光化處理，處理過的焊件在 24 h 內(nèi)進(jìn)行焊接工藝實(shí)驗(yàn)。
2 鋁合金激光焊接中存在的主要問題
激光焊接是以激光作為高能密度光源，具有加熱快和瞬時(shí)凝固的特點(diǎn)，深寬比高達(dá)到12：1但是由于鋁合金具有高的反射率和良好的導(dǎo)熱性以及等離子體的屏蔽作用，焊接時(shí)不可避免地出現(xiàn)一些缺陷問題，其中最主要的兩個(gè)缺陷是氣孔和熱裂紋。由于鋁合金對(duì)激光的反射很強(qiáng)，鋁合金激光焊接首先遇到的問題就是如何有效地提高材料對(duì)激光的吸收。基于鋁合金自身的一些特點(diǎn)，也使得激光焊接工藝更加復(fù)雜，亟待改進(jìn)和完善。
2.1 激光吸收率
材料對(duì)激光的吸收率越高，或傳熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)越小，激光能量越易被材料表面吸收，表面溫度迅速上升，材料熔化或蒸發(fā)。
各種金屬對(duì)不同波長(zhǎng)激光的反射率如表 1 所示，各種金屬的反射率隨波長(zhǎng)變短而降低，并且Ag、Al、Cu 對(duì)激光的反射率高達(dá)90%以上，這無疑增加了激光加工的困難 在室溫下，鋁合金對(duì) CO2 激光的吸收率極低，98%的激光能量將被鋁合金表面反射，Nd：YAG 激光的反射率也達(dá)80%。可見，鋁合金具有對(duì)激光的反射率高、吸收率小的特性。這是因?yàn)殇X合金中自由電子的密度很大，在光波電磁波強(qiáng)烈震動(dòng)下產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射波和較弱的透射波，反射波不易被鋁合金表面吸收，因而常溫下鋁合金表面對(duì)激光具有較高的反射率。
2.2 “小孔”的誘導(dǎo)和穩(wěn)定
在激光焊接過程中，當(dāng)激光能量密度大于 3.5*10^6W/cm2時(shí)會(huì)產(chǎn)生離子體，焊接方式以深熔焊方式進(jìn)行，其原理主要是“小孔”效應(yīng)，“小孔”的出現(xiàn)可大大提高材料對(duì)激光的吸收率，焊件在高能密度下熔合，以獲得良好的焊接效果 在鋁合金的激光焊接中首要的問題是小孔的誘導(dǎo)和維持穩(wěn)定的困難，這是由于鋁合金本身材料特性和激光束的光學(xué)特性造成的。如前所述，常溫下的Al能反射掉80%的能量，再加上其導(dǎo)熱性好，要產(chǎn)生“小孔”就需要一個(gè)大的激光能量密度閾值。不同鋁合金激光焊接加工中都存在這樣一個(gè)閾值，一旦輸入功率大于此值，激光能量向材料內(nèi)部的傳遞不再受熱傳導(dǎo)的限制，焊接則以深熔焊方式進(jìn)行，激光輻射將引起母材金屬強(qiáng)烈蒸發(fā)并形成蒸發(fā)凹槽，激光束通過蒸發(fā)凹槽深入到材料內(nèi)部，焊縫深度和焊接效率也急劇增大。對(duì)于高反射的材料來說，如鋁合金、銅合金，焊接中需要提供非常大的功率密度，這樣就對(duì)焊接機(jī)型以及準(zhǔn)直聚焦鏡的選擇都有一定要求。
2.3 焊縫的機(jī)械性能
細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時(shí)效沉淀強(qiáng)化是鋁合金的幾種強(qiáng)化機(jī)制，即使存在這些強(qiáng)化機(jī)制，激光焊接過程中 Mg、Zn 等低熔點(diǎn)合金元素的大量蒸發(fā)，也會(huì)導(dǎo)致焊縫下沉，硬度和強(qiáng)度下降。瞬時(shí)凝固過程中，細(xì)晶強(qiáng)化組織轉(zhuǎn)變成鑄態(tài)組織后，其硬度、強(qiáng)度會(huì)有所下降。此外，焊縫中裂紋、氣孔的存在導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低。總之，接頭軟化問題是鋁合金激光焊接中存在的又一難題。
2.4 氣孔
鋁合金的激光焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔，主要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅產(chǎn)生的氣孔。
(1)氫氣孔。鋁合金在高溫下表面極易形成氧化膜，氧化膜容易吸附環(huán)境中的水分。激光加熱時(shí)，水分分解產(chǎn)生氫，而氫在液態(tài)鋁中的溶解度約為其在固態(tài)鋁中溶解度的20倍。在合金瞬時(shí)凝固過程中，由液態(tài)鋁向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，氫的溶解度急劇降低，液態(tài)鋁中多余的氫如果不能順利上浮溢出就會(huì)形成氫氣孔。這類氣孔一般形狀規(guī)則，尺寸大于樹枝晶尺寸，在其內(nèi)表面可見有樹枝晶結(jié)晶凝固花樣。
(2)匙孔塌陷。焊接小孔內(nèi)在自身重力和大氣壓力處于平衡態(tài)，一旦平衡被打破，熔池中液態(tài)金屬不能及時(shí)流過來填充就會(huì)形成不規(guī)則孔洞，有研究發(fā)現(xiàn)孔洞內(nèi)壁鎂的含量約為焊縫附近的4倍。
由于激光焊接的冷卻速度太快，氫氣孔問題更加嚴(yán)重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產(chǎn)生的孔洞。
2.5 熱裂紋
鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時(shí)容易出現(xiàn)熱裂紋，包括焊縫結(jié)晶裂紋和HAZ液化裂紋。通常結(jié)晶裂紋出現(xiàn)在焊縫區(qū)，液化裂紋出現(xiàn)在近縫區(qū)。鋁合金中尤其6000系列Al-Mg-Si合金裂紋敏感性大，母材經(jīng)歷了快速加熱和冷卻，在瞬時(shí)凝固和結(jié)晶過程中，由于存在較大的過冷度，晶粒沿垂直焊縫中心方向生長(zhǎng)，在柱狀晶邊界形成Al-Si或Mg-Si、Al-Mg2Si等低熔點(diǎn)共晶化合物，削弱晶面結(jié)合力，在熱應(yīng)力作用下易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。在鋁合金焊接過程中，諸如一些低沸點(diǎn)元素(Mg、Zn、Mn、Si等)容易蒸發(fā)、燒損，焊速越慢，燒損越嚴(yán)重，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分。由于焊縫區(qū)成分偏析會(huì)發(fā)生共晶偏析而出現(xiàn)晶界熔化，在應(yīng)力作用下會(huì)在晶界處形成液化裂紋，降低焊接接頭的性能。
3 鋁合金激光焊接工藝
為了實(shí)現(xiàn)激光對(duì)鋁合金的焊接，解決上述存在的問題，目前主要從以下幾個(gè)方面加以解決。
3.1 氣體保護(hù)裝置
鋁合金中低熔點(diǎn)元素?fù)p失影響因素是氣體從噴嘴噴出時(shí)的壓力，通過減小噴嘴直徑，增加氣體壓力和流速均可降低Mg、Zn等在焊接過程中的燒損，同時(shí)也可以增加熔深。吹氣方式有直吹和側(cè)吹兩種，還可以在焊件上下同時(shí)吹氣，焊接中根據(jù)實(shí)際情況選擇吹氣方式。
3.2 表面處理
鋁合金對(duì)激光具有高反作用，對(duì)鋁合金進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理，如陽極氧化、電解拋光、噴沙處理、噴砂等方式，可以顯著提高表面對(duì)光束能量的吸收。研究表明， 鋁合金去除氧化膜后的結(jié)晶裂紋傾向比原始態(tài)鋁合金大。為了既不破壞鋁合金表面狀態(tài)，又能簡(jiǎn)化激光焊接工程工藝過程，可以采用焊前預(yù)處理的辦法升高工件表面溫度，以提高材料對(duì)激光的吸收率。
3.3 激光器參數(shù)
焊接激光器分為脈沖激光器和連續(xù)激光器，脈沖激光器波長(zhǎng)1064nm時(shí)光束特別集中，脈沖單點(diǎn)能量比連續(xù)激光器的大。但是脈沖激光器的能量一般不超過 ，所以一般適用薄壁焊件。
3.3.1 脈沖模式焊接
激光焊接時(shí)應(yīng)選擇合適的焊接波形，常用脈沖波形有方波、尖峰波、雙峰波等，通常一個(gè)脈沖波時(shí)間以毫秒為單位，在一個(gè)激光脈沖作用期間內(nèi)，金屬反射率的變化很大。鋁合金表面對(duì)光的反射率太高，當(dāng)高強(qiáng)度激光束射至材料表面，金屬表面將會(huì)有60%-98%的激光能量因反射而損失掉，且反射率隨表面溫度變化。因此一般焊接鋁合金時(shí)選擇尖形波(見圖1 )和雙峰波，波形上升階段是為提供較大的能量使鋁合金熔化，一旦工件中“小孔”形成，開始進(jìn)行深熔焊時(shí)，金屬熔化后液態(tài)金屬對(duì)激光的吸收率迅速增大，此時(shí)應(yīng)迅速減小激光能量，以小功率進(jìn)行焊接，以免造成飛濺。此種焊接波形后面緩降部分脈寬較長(zhǎng)，能夠有效地減少氣孔和裂紋的產(chǎn)生。采用此波形，使焊縫熔化凝固重復(fù)進(jìn)行，以降低熔池的凝固速度。此波形在焊接種類不同樣品時(shí)可做適當(dāng)調(diào)整。
