鋁合金因其高強度重量比、優(yōu)良的耐腐蝕性、良好的導熱導電性和可回收性，在航空航天、汽車制造、軌道交通、船舶、電子產品等領域得到了廣泛應用。本文將深入解析鋁合金激光焊接的核心技術及復合焊的創(chuàng)新應用。
一、鋁合金特性及其對焊接的影響
1、鋁的導熱率遠高于鋼，隨溫度升高而降低。這意味著焊接時熱量迅速散失，需要更高的線能量或功率密度才能熔化。
2、鋁熔點660°C，但其表面Al?O?熔點高達2050°C。因此，焊前必須去除氧化膜，否則氧化膜會進入熔池形成夾雜，影響熔透。
3、鋁的表面張力較低，熔池流動性好，但易產生焊縫塌陷、駝峰等缺陷。
4、鋁的熱膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固收縮大，易產生焊接變形和殘余應力。
這些特性決定了鋁合金焊接工藝參數(shù)選擇。例如，高熱導率要求激光功率足夠高，焦點要準確；氧化膜問題需要在焊前嚴格清理和焊接過程中的良好保護；高膨脹系數(shù)則意味著需要考慮焊后變形控制和應力消除。
鋁合金特性對焊接的影響
1、鋁對激光的吸收率受波長影響很大。對長波長的CO?激光（10.6μm）吸收率很低，室溫下<10%；而對短波長的光纖/碟片激光（約1μm）吸收率稍高，室溫下約20-30%。近年來興起的藍光激光（450nm）對鋁的吸收率可達60-70%。
2、吸收率會隨溫度升高而增加，一旦形成匙孔，匙孔內的多次反射會使吸收率迅速提高至80-90%。
3、氫在液態(tài)鋁中的溶解度遠大于固態(tài)鋁，溫度越高溶解度越大。凝固過程中，溶解度會急劇下降，過飽和的氫析出形成氣孔。這是鋁合金焊接氣孔的主要來源。
二、鋁合金分類
1、加工硬化型 (不可熱處理強化)：1xxx (純鋁)，3xxx (Al-Mn)，5xxx (Al-Mg)。通過冷變形提高強度，焊接時HAZ會發(fā)生回復和再結晶，導致強度下降。
2、熱處理強化型：2xxx (Al-Cu)，4xxx (Al-Si, 主要作焊絲)，6xxx (Al-Mg-Si)，7xxx (Al-Zn-Mg-Cu)。通過固溶處理+時效析出強化相提高強度，在焊接時HAZ中的強化相會溶解或粗化，導致強度大幅下降。
5xxx系通常焊接性較好，但Mg含量高時易蒸發(fā)；6xxx系焊接性良好，但HAZ軟化嚴重；2xxx和7xxx系強度高，但熱裂紋和氣孔傾向大，焊接難度高。
三、鋁合金激光焊
1、激光-材料相互作用模式
??熱導焊模式??：功率密度<10? W/cm²，僅表層熔化，適用于薄板焊接，但熔深受限。
??匙孔焊模式??：功率密度>10? W/cm²，形成穩(wěn)定匙孔，實現(xiàn)深熔焊接（深寬比可達10:1），但對參數(shù)穩(wěn)定性要求極高。
2、鋁合金激光焊中氣孔的控制
優(yōu)化激光參數(shù)，例如功率、速度、焦點
采用脈沖激光或光束擺動 (如圓形、8字形掃描)，改善匙孔穩(wěn)定性和熔池流動，促進排氣。
采用雙光點技術，前光點開孔，后光點穩(wěn)定熔池。
減壓焊接 (真空或低氣壓)：類似電子束焊，顯著減少羽輝，穩(wěn)定匙孔，促進氣體逸出，能大幅提高熔深和質量，但設備復雜昂貴。
3、典型應用場景
??航空航天??：飛機蒙皮、發(fā)動機燃燒室結構焊接，減重18%的同時提升強度。
??新能源汽車??：電池托盤、車身框架焊接，實現(xiàn)輕量化與密封性統(tǒng)一。
四、激光-電弧復合焊
1、基本原理與優(yōu)勢
激光提供集中的能量，實現(xiàn)深熔，穩(wěn)定電弧。
電弧提供額外的熱量，熔化填充焊絲，增加熔寬，橋接間隙，并對鋁表面有陰極清理作用（取決于電弧極性）。
優(yōu)勢：更高的焊接速度、更大的熔深、更好的間隙橋接能力、更靈活的冶金控制、更低的變形。
2、激光-電弧復合焊類型
（1）電弧在前/激光在后：電弧預熱工件，提高激光吸收率，可能獲得更大熔深。
（2）激光在前/電弧在后：激光形成匙孔，電弧負責填充和修飾焊縫形狀。這是更常見的組合，有利于提高間隙橋接能力和焊縫成形。
（3）同軸復合焊：激光與電弧同軸輸出，空間協(xié)同性最佳，但設備復雜度高。
3、激光-電弧復合焊中氣孔的控制
激光/電弧功率平衡：增大電弧電流可以擴大匙孔直徑，穩(wěn)定熔池，減少氣孔。但過高的電弧功率也可能引入更多氫。
氣體保護：外層采用He+Ar混合氣（He比例30-50%），內層純Ar，降低氫含量。
填充焊絲優(yōu)化：選擇ER4043（Al-Si）焊絲，凝固收縮率低，減少微裂紋和氣孔傾向。
4、工業(yè)化應用案例
??軌道交通??：德國西門子高鐵車體采用LAHW焊接，生產節(jié)拍縮短至3分鐘/節(jié)。
??船舶制造??：鋁合金三明治結構焊接，接頭強度達母材90%，焊后變形<0.5 mm。
