鋁合金激光焊接的問題和對策

 　　1. 鋁合金表面的高反射性和高導熱性

　　這一特點可以用鋁合金的微觀結構來解釋。由於鋁合金中雷射雕刻機存在密度很大的自由電子，自由電子受到激光（強烈的電磁波）強迫震動而產生次級電磁波，造成強烈的反射波和較弱的透射波，因而鋁合金表面對激光具有較高的反射率和很小的吸收率。同時，自由電子的布朗運動受激而變得更為劇烈，所以鋁合金也具有很高的導熱性。

　　針對鋁合金對激光的高反射性，國內外已作了大量研究，試驗結果表明，進行適當的表面預處理如噴砂處理、砂紙打磨、表面化學浸蝕、表面鍍、石墨塗層、空氣爐中氧化等均可以降低光束反射，有效地增大鋁合金對光束能量的吸收。另外，從焊接結構設計方雷射打標機面考慮，在鋁合金表面人工制孔或采用雷射焊接機光收集器形式接頭，開V形坡口或采用拼焊(拼接間隙相當於人工制孔) 方法，都可以增加鋁合金對激光的吸收，獲得較大的熔深。另外，還可以利用合理設計焊接縫隙來增加鋁合金表面對激光能量的吸收。

　　2. 小孔效應及等離子體對鋁合金激光焊接的影響

　　在鋁合金激光焊接過程中，小孔的出現可以大大提高材料對激光的吸收率，焊接可以獲得更多的能量，而鋁元素以及鋁合金中的Mg、Zn、Li沸點低、易蒸發且蒸汽壓大，雖然這有助於小孔的形成，但等離子體的冷卻作用（等離子體對能量的屏蔽和吸收，減少了激光對母材的能量輸入）使得等離子體本身"過熱"，卻阻礙了小孔維持連續存在，容易產生氣孔等焊接缺陷，從而影響焊接成形和接頭的力學性能，所以小孔的誘導和穩定成為保證激光焊接質量的一個重點。

　　由於鋁合金的高反射性和高導熱性，要誘導小孔的形成就需要激光有更雷射切割機高的能量密度。由於能量密度閾值的高低本質上受其合金成分的控制，因此可以通過控制工藝參數，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量，來獲得穩定的焊接過程。另外，能量密度閾值一定程度上還受到保護氣體種類的影響。例如，激光焊接鋁合金時使用N2氣時可較容易地誘導出小孔,而使用He氣則不能誘導出小孔。這是因為N2和Al之間可發生放熱反應，生成的Al-N-O 三元化合物提高了對激光吸收率。

　　3. 氣孔問題

　　鋁合金種類不同，產生的氣孔類型也不同。一般認為，鋁合金在焊接過程中產生以下幾類氣孔。

　　1) 氫氣孔。鋁合金在有氫的環境中熔化後，其內部的含氫量可達到0.69ml/100g以上。但凝固以後，其平衡狀態下的溶氫能力最多只有0.036ml/100g，兩者相差近20倍。因此，在由液態向固態轉變的過程中，液態鋁中多餘的氫氣必定要析出。如果析出的氫不能順利上浮逸出，就會聚集成氣泡殘留在固態鋁合金成為氣孔。

　　2) 保護氣體產生的氣孔。在高能激光焊接鋁合金的過程中，由於熔池底部小孔前沿金屬的強烈蒸發，使保護氣體被卷入熔池形成氣泡，當氣泡來不及逸出而殘留在固態鋁合金中即成為氣孔。

　　3) 小孔塌陷產生的氣孔。在激光焊接過程中，當表面張力大於蒸氣壓力時，小孔將不能維持穩定而塌陷，金屬來不及填充就形成了孔洞。對減少或避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺陷也有很多實際措施，如調整激光功率波形，減少小孔不穩定塌陷，改變光束焦點高度和傾斜照射，在焊接過程時施加電磁經場作用以及在真空中進行焊接等。近幾年來，又出現了采用填絲或預置合金粉未、複合熱源和雙焦點技術來減少氣孔產生的工藝，有不錯的效果。

　　4. 裂紋問題

　　鋁合金屬於典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固下更容易產生熱裂紋，焊縫金屬結晶時在柱狀晶邊界形成AL-Si或Mg-Si等低熔點共晶是導致裂紋產生的原因。為減少熱裂紋，可以采用填絲或預置合金粉未等方法進行激光焊接。通過調整激光波形，控制熱輸入也可以減少結晶裂紋。