铝合金的激光焊接都有哪些优势

通常激光焊接铝合金时，会存在以下几个难点：

1.铝合金焊接容易产生气孔；

2.铝合金焊接易产生热裂纹；

3.焊缝线膨胀系数大，易导致焊接变形；

4.铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；

5.合金表面易产生难熔的氧化膜(A12O3其熔点为2060℃)，这就需要采用大功率密度的焊接工艺；

6.铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4倍

1)采取适当的表面预处理工艺.比如说砂纸打磨、表面化学浸蚀、表面镀等预处理措施.增加材料对激光的吸收率.

2)减小光斑尺寸,增加激光功率密度.

3)改变焊接结构,使激光束在间隙中形成多次反射.便于铝合金焊接

焊接难点二、易产生气孔和热裂纹

1) 经过多次焊接试验和研究发现,在焊接过程中调整激光功率波形,可以减少气孔不稳定塌陷,改变激光束照射的角度以及在焊接中施加磁场作用,都可以减少焊接时产生的气孔.

2)在使用YAG激光器时,可以通过调整脉冲波形,控制热输入,以减少结晶裂纹.

焊接难点三、焊接过程中,焊接接头力学性能下降

因为激光焊接铝合金有以下优势：

1、能量密度高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄而熔深大；

2、冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头性能良好；

3、与接触焊相比，激光焊不用电极，所以减少了工时和成本；

4、不需要电子束焊时的真空气氛，且保护气和压力可选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生X射线；

5、可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接；

6、激光可用光导纤维进行远距离的传输，从而使工艺适应性好，配合计算机和机械手，可实现焊接过程的自动化与精密控制。

激光焊接有两种基本模式：热导焊和深熔焊，前者所用激光功率密度较低（105～106W／cm2），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。这种焊接模式熔深浅，深宽比较小。

后者激光动车密度高（106～107W／cm2），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深馆焊。

深熔焊过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成等离子体。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量。并影响光束的聚焦效果、对焊接不利。

通常可辅加侧吹气驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。

气孔：两种，Mg蒸汽、难熔氧化膜卷入造成气孔；氢气孔；铝合金表面清洁，气氛保护的好些。焊接采用较小的线能量。

搅拌摩擦焊FSW( Friction Stir Welding) 是由英国焊接研究所TWI ( The Welding Institute) 1991 年提出的新的固态塑性连接工艺。搅拌摩擦焊接工作原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件待焊部位，通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦，摩擦产生热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅 拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使焊件压焊在一起。由于搅拌摩擦焊过程中不存在金属的熔化，是一种固态连接过程，故焊接时不存在熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料焊接等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多。已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000 系列(Al- Cu) 、5000 系列(Al - Mg) 、6000 系列(Al - Mg - Si) 、7000 系列(Al - Zn) 、8000 系列(Al - Li) 等。国外已经。进入工业化生产阶段，在挪威已经应用此技术焊接快艇上长为20 m 的结构件，美国洛克希德·马丁航空航天公司用该项技术焊接了铝合金储存液氧的低温容器火箭结构件。

铝合金搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊缝区晶粒细化，无熔焊的树枝晶，组织细密，热影响区较熔化焊时窄，无合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。与传统熔焊方法相比，它无飞溅、烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头性能良好。由于是固相焊接工艺，加热温度低，焊接热影响区显微组织变化小，如亚稳定相基本保持不变，这对于热处理强化铝合金及沉淀强化铝合金非常有利。焊后的残余应力和变形非常小，对于薄板铝合金焊后基本不变形。与普通摩擦焊相比，它可不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金要求对表面进行去除氧化膜，并在48 h 内进行加工，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可，并对装配要求不高。并且搅拌摩擦焊比熔化焊节省能源、污染小。

搅拌摩擦焊铝合金也存在一定的缺点： ①铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化焊； ②焊件夹持要求高，焊接过程中对焊件要求加一定的压力，反面要求有垫板；③焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞，一般需要补焊上或机械切除； ④搅拌头适应性差，不同厚度铝合金板材要求不同结构的搅拌头，且搅拌头磨损快； ⑤工艺还不成熟，目前限于结构简单的构件，如平直的结构、圆形结构。搅拌摩擦焊工艺参数简单，主要有搅拌头的旋转速度、搅拌头的移动速度、对焊件的压力及搅拌头的尺寸等。

(二)、 铝合金的激光焊接

铝及铝合金激光焊接技术(Laser Welding) 是近十几年来发展起来的一项新技术，与传统焊接工艺相比，它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点，特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入，从而可提高生产效率，改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。

激光焊接铝合金有以下优点： ①能量密度高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄而熔深大； ②冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头性能良好； ③与接触焊相比，激光焊不用电极，所以减少了工时和成本； ④不需要电子束焊时的真空气氛，且保护气和压力可选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生X 射线； ⑤可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接； ⑥激光可用光导纤维进行远距离的传输，从而使工艺适应性好，配合计算机和机械手，可实现焊接过程的自动化与精密控制。

现在应用的激光器主要是CO2 和YAG 激光器，CO2 激光器功率大，对于要求大功率的厚板焊接比较适合。但铝合金表面对CO2 激光束的吸收率比较小，在焊接过程中造成大量的能量损失。YAG激光一般功率比较小，铝合金表面对YAG激光束的吸收率相对CO2激光较大，可用光导纤维传导，适应性强，工艺安排简单等。

在焊接大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。

铝及铝合金的激光焊接难点在于铝及铝合金对辐射能的吸收很弱对CO2 激光束(波长为10. 6μm) 表面初始吸收率1. 7 %；对YAG激光束(波长为1. 06 μm)吸收率接近5 %。比较复杂高频引弧时引起电极烧损和电弧摆动，起弧后稳定性不强，同时在电弧的高温状态下，电极迅速烧损。但激光与等离子弧复合可明显提高熔深和焊接速度 。

铝合金激光- 电弧复合焊工艺中可控参数较多，主要有以下几方面。①激光功率和电弧电流电压等：复合焊接对激光功率要求降低，同时功率因素对工艺影响很大，激光功率越大，熔深越大，而且这种影响力远大于激光单独焊接时对熔深的影响，增加电弧电源功率，熔化区宽度增加，热影响区增大，若采用脉冲YAG激光器，可调节脉冲频率和宽度以能提高工艺稳定性，减少气孔的形成； ②焊接速度参数：随焊接速度的增加，焊接热输入降低，焊缝熔深降低，而且不同的焊接速度影响匙孔的作用有所不同，从而影响焊接的稳定性； ③激光与电弧中心的距离：在一定范围内，激光与电弧中心距DLA11越小则熔深越大，此时增加电弧电流不仅增加熔宽，而且增加熔深； ④激光与电弧配合方式：国际上对复合焊的研究一般采用激光垂直入射，电弧与激光束成一定角度，沿焊接方向激光或在电弧前或在电弧后，不同的设计安排影响复合焊接的工艺稳定性和焊接气孔、裂纹的形成； ⑤填充材料的影响：通过填充焊丝、粉末来补充合金元素的烧损，增加焊缝强度，改善工艺性能，防止热裂纹； ⑥保护气体成分及流速：复合焊中保护气体一般为Ar 、He 或Ar/ He 混合气体，Ar 的电离能低，易于形成等离子体，与激光束光子形成耦合作用，不利于保护，所以纯He 气比纯Ar 气保护效果好，但从经济角度来看Ar气更经济一些，国外有用Ar75%+He25%混合气保护进行激光焊接，效果良好，且可改善工艺性能。其它还有一些因素影响，如焊前铝合金表面的清洁，氧化膜的去除，焊后热处理等。当焊接高强度厚板铝合金时，可采用多道焊工艺达到完全熔透焊接，但厚板铝合金焊接易产生气孔、热裂纹及焊缝软化等问题，且其过程比较复杂。厚板铝合金焊接变形严重，所以必须采用一些防变形的工艺。

(三)、 铝合金的电子束焊接

电子束焊是指在真空环境下，利用会聚的高速电子流轰击工件接缝处产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束作为焊接热源的突出特点是功率密度高、穿透能力强、精确、快速、可控、保护效果好。对于铝合金电子束焊接，由于能量密度高可大大减小热影响区，提高焊接接头强度，避免热裂纹等缺陷的产生。由于能量密度高，穿透能力强可对难以焊接的铝合金厚板进行焊接。

同传统电弧焊接铝合金相比，电子束焊能量密度高3～4 个数量级，与另外一种高能量密度焊接工艺——激光焊接相当。因此焊接接头的热影响区非常小，接头强度较传统焊接方法提高很多。电子束的穿透性能好，可对大厚度的铝合金进行施焊，焊后接头力学性能良好。铝合金焊缝金属的抗裂性能随着焊接能量密度的增加和热输入的减少而增加。所以铝合金电子束焊接接头的抗裂性能要比采用传统焊接方法的焊接接头高很多，一般要比氩弧焊焊缝高出1～1. 5 倍。铝合金电子束焊焊后残余应力小，变形小，对薄板焊后几乎可做到不变形。电子束焊要求在真空条件下完成，真空是最好的保护手段，在这种条件下可以得到纯净的焊缝金属，避免了空气或保护气体的污染。电子束焊接铝合金在真空重熔时，焊缝中杂质含量微乎其微，焊缝气体含量降低接近一半，从而焊缝塑性、韧性大大提高。电子束可控性好，可以方便地进行扫描、偏转、等，易于焊接过程的自动化，并且通过电子束扫描熔池可以消除缺陷，提高接头质量 。

电子束焊接获得优良的焊缝的最有效方法是焊接过程中同时对刚刚焊过的焊缝进行扫描。回扫间距决定晶粒细化的可控程度，凝固组织可由粗大的柱状晶转化为细小等轴晶。对AlMg0. 4Si1. 2 合金进行扫描焊接与无扫描焊接相比，晶体主轴长度减少到无扫描焊接时的1/ 5 ；焊缝硬度提高80% ，接近母材水平。铝合金焊缝金属晶粒细化程度对接头性能有重要影响。采用具有回扫运动的电子束扫描焊接，可减少合金元素的损失，细化焊缝组织，使之变为细小的等轴晶，并提高硬度。对于已经成核生长的晶体，如果电子束扫描间距过小在电子束扫描时产生重熔，但导致电子束回扫细化晶粒的作用减弱 。

铝合金电子束焊时对电子束流非常敏感，尤其是对于大厚度铝合金板焊接时，电子束流小时不能焊透，大时产生下塌，出现凹坑。铝合金电子束焊接的另外一个难点是焊接气孔。铝合金表面的氧化膜主要成分是Al2O3 和MgO ，容易吸收大量的水分是铝合金焊缝中气孔的主要来源。铝合金表面氧化膜比重接近基体，容易进入焊缝产生夹杂、气孔。尤其是防锈铝合金电子束焊，气孔问题较为严重。传统TIG 焊铝合金时通常采用大的热输入量并在较低的焊接速度下进行焊接，促使氢从熔池中逸出，而电子束焊接铝合金时速度快，热输入量小，氢来不及从熔池中逸出，容易形成气孔。通常电子束焊铝合金采用表面下聚焦和较窄的焊缝以及扫描重熔的方法来防止气孔的产生。另外，电子束焊接要求在真空条件下进行，所以对铝合金大型结构件施焊困难。电子束易受周围环境电磁场的影响，设备比较复杂，费用比较昂贵，所以还没有达到大规模工业化生产。

近年来发展的局部真空电子束焊接工艺很好地解决了铝合金电子束焊接大型构件的问题。Drauge2lates 等人成功地对AlMg5Mn 和AlMg0. 4Si1. 2 合金进行了局部真空高速电子束焊接结果表明在60 m/min的高速下焊接可生产出无焊接缺陷的焊缝可见局部真空电子束焊接铝合金具有相当好的发展前景是焊接铝合金的一种先进工艺。

钨极氩弧焊法主要用于铝合金，是一种较好的焊接方法，不过钨极氩弧焊设备较复杂，不合适在露天条件下操作。

2、电阻点焊、缝焊

这种焊接方法可以用来焊接厚度在5mm以下的铝合金薄板。但是在焊接时用的设备比较复杂，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。

3、脉冲氩弧焊

脉冲氩弧焊可以很好的改善在焊接过程中的稳定性可以调节参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接 。

4、搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊首先并主要在铝合金、镁合金等轻金属结构领域得到越来越广泛的应用，此方法的最大特点就是焊接温度低于材料熔点，可避免由熔焊所带来的裂纹、气孔等缺陷。

铝及铝合金在现代工程技术所用的各种材料中占有举足轻重的地位，它在世界年产量仅次于钢铁而居第二位，在有色金属中则居第一位。如果说铝合金最初是在航空工业中崭露头角的话，那么近几十年来，除航空工业外，在航天、汽车、船舶、桥梁、机械制造、电工、化学工业及低温装置中已大量应用铝及铝合金，以制造各种部件、油箱、耐蚀容器及导线等。目前铝合金焊接结构中应用最广的是防锈铝合金，即铝镁合金和铝锰合金。

（1）焊件位置需非常精确，务必在激光束的聚焦范围内。

（2）焊件需使用夹治具时，必须确保焊件的最终位置需与激光束将冲击的焊点对准。

（3）最大可焊厚度受到限制渗透厚度远超过19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

（4）高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，焊接性会受激光所改变。

（5）当进行中能量至高能量的激光束焊接时，需使用等离子控制器将熔池周围的离子化气体驱除，以确保焊道的再出现。

（6）能量转换效率太低，通常低于10%。

（7）焊道快速凝固，可能有气孔及脆化的顾虑。

（8）设备昂贵。

为了消除或减少激光焊接的缺陷,更好地应用这一优秀的焊接方法,提出了一些用其它热源与激光进行复合焊接的工艺,主要有激光与电弧、激光与等离子弧、激光与感应热源复合焊接、双激光束焊接以及多光束激光焊接等。此外还提出了各种辅助工艺措施，如激光填丝焊（可细分为冷丝焊和热丝焊）、外加磁场辅助增强激光焊、保护气控制熔池深度激光焊、激光辅助搅拌摩擦焊等。

(1)功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在10^4~10^6W/CM^2。

(2)激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有60~98%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。

(3)激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。

(4)离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦平面与焊接平面距离相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50~200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。

激光焊接机可适用于S136，SKD-11，NAK80，8407，718，738，H13，P20，W302，2344等型号的模具钢焊接，且焊接效果较好。

2、碳钢

碳钢采用激光焊接机进行焊接，效果良好，其焊接质量的好坏取决于杂质含量。为了获得良好的焊接质量，碳含量超过0.25%时需要预热。当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量。由于激光焊接机焊接时的加热速度和冷却速度非常快，所以在焊接碳素钢时。随着含碳量的增加，焊接裂纹和缺口敏感性也会增加。中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要进行预热和焊后处理，以消除应力，避免裂纹产生。

3、合金钢

低合金高强度钢的激光焊接，只要所选择的焊接参数适当，就可以得到与母材力学性能相当的接头。

4、不锈钢

一般的情况下，不锈钢的焊接比常规的焊接更易于获得优质接头。由于激光焊接高的焊接速度和热影响区很小，减轻了不锈钢焊接时的过热现象和线膨胀系数大的不良影响，焊缝无气孔、夹杂等缺陷。与碳钢相比，不锈钢由于具有低的热导系数、高的能量吸收率和熔化效率更容易获得深熔窄焊缝。用小功率激光焊焊接薄板，可以获得外观上成形良好、焊缝平滑美观的接头。

5、铜及铜合金

焊接铜和铜合金易产生未熔合与未焊透的问题，因此应采用能量集中、大功率的热源并配合预热措施；在工件厚度较薄或结构刚度较小，无防止变形措施时，焊后很容易产生较大的变形，而当焊接接头受到较大的刚性约束时，易产生焊接应力；焊接铜及铜合金时还易产生热裂纹；气孔是铜及铜合金焊接时的常见缺陷。

6、铝及铝合金

铝及铝合金是高反射性材料，铝及其合金焊接时，随着温度的升高，氢在铝中的溶解度急剧增大，溶解的氢成为焊缝的缺陷源，焊缝中多存在气孔，而深熔焊时根部可能出现空洞，焊道成形较差。

金属材料的特性决定了焊接的工艺。下面分析以下几点金属激光焊接的注意事项：

1、金属材料的冷却速度快，这是因为金属里面的含碳量所决定的，它对金属材料的脆化、微裂纹及疲劳强度等有影响。

2、在焊接过程中，金属合金中的高挥发合金元素从熔池里挥发出来，会导致气孔的产生，还可能会产生咬边现象。

3、在焊接碳钢材料时，材料的含碳量应低于2%，当含碳量高过3%时，激光焊接的难度就会增加，冷裂纹倾向加大，增加材料在疲劳和底纹条件下的脆断倾向，接头设计中考虑焊缝的一定收缩量，有利于降低焊缝和热影响区残余应力和裂纹倾向。

4、当激光焊接机碳含量高过3%的金属和碳含量低于3%金属时，可采用偏执焊缝的形式这样有利于限制马氏体的转变，可以消除应力，减少裂纹的产生，既可以减少淬火速率还能减少裂纹倾向。

5、无论是脉冲激光焊接还是连续激光焊接，一般脉冲激光焊接机可以减少热输入量，还能减少热裂纹的产生和工件的变形。

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激光焊接

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工...

激光焊接应用中，铝合金材料较为常见。铝合金有如下特点：重量轻、无磁性、低温性能好、耐腐蚀性能好、成形性好等，因此它被广泛应用在各种焊接结构产品中。采用铝合金代替钢板材料焊接，结构重量可减轻一半以上。

通常激光焊接铝合金时，会存在以下几个难点：

1.铝合金焊接容易产生气孔；

2.铝合金焊接易产生热裂纹；

3.焊缝线膨胀系数大，易导致焊接变形；

4.铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；

5.合金表面易产生难熔的氧化膜(A12O3其熔点为2060℃)，这就需要采用大功率密度的焊接工艺；

6.铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2～4倍。

因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。合金专用激光焊接机系列机型，具有焊接效率高、热影响区小、焊缝美观牢固等优势，是焊接金、银、钛、镍、锡、铜、铝等金属及其合金材料的理想机型。