前言
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，研究萬瓦級的光纖激光器用于大厚板深熔焊接是未來發(fā)展趨勢。
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)。
各種金屬對不同波長激光的反射率如表 1 所示，各種金屬的反射率隨波長變短而降低，并且Ag、Al、Cu 對激光的反射率高達(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 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。