航空鋁合金激光焊接的研究進展

唐思熠，張學軍，郭紹慶，李 能，孫兵兵，陳冰清，杜博睿

(中國航空工業集團公司北京航空材料研究院，北京 100095)

0 前言

自從1906年在Al-Mg-Cu系合金中發現時效硬化現象后，鋁合金作為飛機的主要結構材料之一登上歷史舞臺［1］，而我國自行研制的第三代戰斗機機體結構用材中鋁合金占60% ～70%［2-3］，其中飛機蒙皮和壁板結構中涉及大量的鋁合金焊接。由于鋁合金的化學活潑性很強，表面極易形成氧化膜，且具有難熔性質，加之鋁合金導熱性強，傳統焊接方法容易造成不熔合現象;同時，鋁合金表面的氧化膜可以吸收較多的水分，從而導致焊縫中氣孔的形成;此外，鋁合金的線膨脹系數大，導熱導電性強，焊接時容易產生咬邊、翹曲變形等缺陷，并且焊后接頭力學性能下降［4］。

激光焊接利用高能量密度的激光束作為熱源，焊接過程中能量集中、熱輸入小、熱影響區小、焊接速度快，特別適合鋁合金材料的焊接。因此，鋁合金的激光焊接技術在航空領域得到了十分重要的應用。空中客車公司、BIAS、Fraunhofer等研究所經過十年的合作研究，2003年在德國和法國空中客車部件生產廠實現了A318客機鋁合金下壁板結構雙光束CO2激光填絲焊以及YAG激光填絲焊，焊接速度為4～10 m/min，這種以焊代鉚結構使飛機質量減輕了近20%，制造成本降低了近20%，這種技術已經應用在A318、A380和A340系列飛機上。A350飛機壁板的焊接數量達到18塊，焊縫總長達到1000 m。為了進一步擴大鋁合金激光焊接在航空領域的應用，國內外開展了大量的研究工作。

1 鋁合金激光焊的研究熱點

1.1 鋁合金對激光吸收率的研究

鋁合金對激光極高的反射率是鋁合金激光焊接中的第一個難點，可以通過改變鋁合金的表面狀態，采用合理的焊接工藝參數以及更適合的激光器等方式增加鋁合金對激光的吸收率。

Yousuke Kawahito等人研究了鋁合金激光焊接中使用大功率光纖激光器時鋁合金表面對激光功率的吸收情況［5］，作者針對不同功率、不同焊接速度的情況進行了測量。發現當焊接速度固定時，激光功率增大，鋁合金表面對激光的吸收率隨之增大，當激光功率從2 kW增加到10 kW時，吸收率增加了28%;而當激光功率固定時，焊接速度增大，鋁合金表面對激光的吸收率隨之減小，當焊接速度從17 mm/s增大到250 mm/s時，鋁合金表面對激光的吸收率下降了21%。這是因為當焊接速度較高時，入射光束部分照在了小孔前端的熔池，導致鋁合金表面對激光的吸收率下降。

Kaplan對比了激光深熔焊中小孔內壁形貌對波長分別為1 μm和10 μm的激光Frensel吸收的影響［6］。對波長為10 μm的激光而言，粗糙的小孔內壁會大大降低材料對激光的Frensel吸收，光滑的內壁則會加強材料對激光的Frensel吸收;而對波長為1 μm的激光而言，焊接速度較低時，光滑內壁會降低其吸收率，如果焊接速度較高，情況則與10 μm的激光相類似。

1.2 對鋁合金激光焊接中焊接缺陷和接頭性能的研究

鋁合金的激光焊接與其他焊接方法一樣，存在氣孔和裂紋的問題。一般認為激光焊接的冷卻過程中氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔，低熔點高蒸汽壓合金元素蒸發導致氣孔產生，激光束引起熔池金屬波動匙孔不穩定，熔池金屬紊流導致氣孔生成。而激光焊接的加熱和冷卻速度極快，焊縫結晶組織的方向性強，使其比常規方法具有更大的裂紋敏感性。但是Seiji Sasabe研究了A6082鋁合金的YAG激光焊后認為A6082激光焊的裂紋敏感性低于相同材料的MIG焊方法［7］。

Katayama在研究 CO2激光焊接 A6061和A7N01鋁合金時發現，這兩種合金極易出現熱裂紋，尤其在焊接速度較高時［8］。作者認為這種熱裂紋形成的主要原因是凝固過程中造成的微觀偏析，形成結晶溫度較低的液化膜，從而導致熱裂紋的產生。

M.Sheikhi等人研究了YAG激光焊接熱裂紋敏感性很高的2024鋁合金，工藝參數對裂紋敏感性的影響［9］。作者研究了兩種焊接方式:一是單點激光焊，二是多點重疊激光焊。在單點激光焊模式下，形成的柱狀晶區增大了熔合區的裂紋敏感性;而在多點重疊激光焊模式下，裂紋產生的特點是從先凝固的點產生，位置是焊縫與母材的交界線，而在焊縫金屬區一般不會產生新的裂紋。

哈爾濱焊接研究所的王威等人對1420鋁合金的激光焊接中氣孔的形成機理進行了研究［10］。研究發現，1420鋁鋰合金在激光焊接中有嚴重的氣孔傾向。作者認為表層物質是焊接過程中氫的主要來源，一定要采用適當的方法進行徹底的清除，而Mg、Li等合金元素不僅增加了熔池吸氫傾向，還增加了匙孔末端的不穩定性，采用合適的熔透模式，改善熔池的流動，將不穩定性降到最低。北京工大的金培有的研究也得出了相似的結論，在焊前去除一定厚度的表面層可以減少氣孔的產生，最終得到的接頭拉伸強度達到360 MPa，為母材的95%［11］。

在鋁合金的激光焊接過程中，需要通過焊前徹底清理、優化激光工藝參數等綜合手段來控制和減少焊縫中的缺陷。

1.3 激光焊應力與變形的研究

鋁合金的激光焊接雖然熱輸入較低，但與常規的熔焊方法一樣，在整個焊接過程中仍存在焊接應力和變形的問題，這也是鋁合金激光焊接研究的內容之一。

Muhammad等人針對應用在最新一代的民航機機身中的6056-T4鋁合金薄板的激光焊接中存在的應力與變形進行了研究［12］。通過數值模擬預測了殘余變形和殘余應力在焊接試板中的分布，其結果與試驗情況基本相符。結果表明，焊接試板的橫向殘余應力為材料屈服強度的20%，而縱向殘余應力值達到了材料的屈服強度，是造成結構變形的主要應力部分。因此，應該從控制焊縫的縱向殘余應力入手來減小焊接變形。

Koutarou Inose對比了激光焊與弧焊T型接頭的應力變形情況，激光焊的殘余應力和變形與弧焊趨勢相同，但是變形程度更小［13］。同樣，整個焊接結構變形中主要變形是角變形，水平面的變形程度遠小于角變形。雖然激光焊接與弧焊的過程不同，但是用于弧焊中預測變形的數值模擬方法同樣適用于激光焊接中。

1.4 T型接頭的激光焊的研究

在飛機機身的制造中，蒙皮和壁板等部件都涉及到鋁合金T型結構，研究鋁合金T型接頭的激光焊接有著重要的實際意義。

在進行T型接頭的激光焊接時，由于其自身結構的特點會帶來一些突出的問題，主要表現為變形、氣孔、裂紋的產生和焊縫成形困難。在無拘束或者接頭優化的情況下，T型接頭焊接時容易出現以下情況:(1)底板兩側出現上翹的變形;(2)由于不能實現兩條角焊縫的同步焊接，筋板容易出現彎曲變形且向焊縫一側傾斜;(3)焊接時激光光束要與筋板成一定傾角，這樣在焊接過程中，熔池熔液受重力作用，更容易形成小孔的塌陷閉合，并且很不利于小孔內氣體的上浮排除，因此，小孔傾向相對較大;(4)受T型接頭熔池位置和形狀的影響，熔池熔液流動性較大，在重力作用下，焊縫容易形成向里的凹陷，出現咬邊等缺陷，給焊縫成形帶來困難;(5)由于T型接頭在焊接區域的熱傳導方式是三維的，與平板近似二維的熱傳導方式相比，冷卻速度更快，且由于筋板和底板的熱傳導方向的差異，裂紋傾向性較大。另外由于采用單側依次雙面焊，T型接頭的兩條角焊縫不能同時施焊，在焊接第一條角焊縫時，受第一條角焊縫熱源影響，第二條角焊縫在兩板端面接觸位置會出現氧化夾雜，導致第二條角焊縫出現焊接過程的不穩定甚至出現氣孔并引起裂紋［14］。

為了解決T型接頭的激光焊接問題，英國的TWI、德國布萊梅射線技術所、美國的EWI等研究機構充分利用激光焊接柔性制造的特點，用兩臺激光器提供雙光束，讓兩束激光束同時作用在T型接頭兩側角焊縫進行同步焊接，不僅解決了焊接過程另一條角焊縫的保護問題，還緩解了筋板變形，實現了T型接頭雙光束的焊接，并成功用于飛機帶筋壁板的焊接。但是這種焊接方法也存在缺點，主要是設備復雜，成本較高。

如Koutarou Inose指出T型焊接的激光焊中，雖然激光焊與弧焊的過程完全不同，但兩者有相同的變形趨勢，并且可以用相似的數值模擬方法來對殘余應力和變形進行預測［13］。

藺海榮等指出，采用合理的拘束及反變形工藝可以有效地減小焊接變形，但是T形接頭的角變形沿焊縫長度方向是變化的［15］。在短焊縫情況下，可以近似認為角變形為常數。拘束焊時，焊縫與近縫區材料處于塑性狀態，而距焊縫較遠處的材料仍處于彈性狀態，作者提出了一種消除焊接T形接頭角變形的面外拘束力計算模型，計算了臨界拘束長度、極限拘束力與反變形的量值，并通過試驗驗證了計算方法的有效性。

左鐵釧結合理論計算和試驗研究了底板厚度和在底板上設置凸臺對T型接頭在焊接過程變形的影響，研究結果表明，只要對T型接頭的接頭形式稍做改變就可以大大減小焊接結構的變形［16］。

武漢理工大學的楊濤研究了3 mm厚鋁鋰合金T型接頭的填絲激光焊接，并基于正交試驗法設計了試驗，研究了激光功率、焊接速度、焊接角度和偏移量四個主要的工藝參數對T型接頭角焊縫界面結合、表面成形和底板熔深的影響，研究結果發現，焊接角度和偏移量是影響T型接頭焊縫成形的主要因素［14］。

1.5 激光焊接的觀測方法的研究

當高能的激光束作用在金屬上時，通常會形成匙孔，并產生等離子體。小孔的形成對于激光焊接過程具有重要的意義。對激光焊接中小孔現象的深入理解，是減少和避免激光焊接缺陷以及激光焊接技術進一步發展的基礎。激光焊接過程中焊接速度快、冷卻速度快，再加上高溫、高亮度、不斷變化的光致等離子體的干擾，使得對激光焊接小孔的直接觀察很困難，因此國內外的學者提出了不同的方法來觀測。

Seiji Katayama等在YAG激光焊接A5052和A5182鋁合金的過程中，對反射的激光以及熔池中的光輻射進行監測，并驗證這兩種監測信息能否對應反映焊接過程［17］。同時，在焊接過程使用高速攝像機進行拍攝，以便更好地說明監測信號。結果表明，試驗所監測的信號與激光焊接過程的現象存在相關性，并對監測信號對應的焊接現象做出了初步解釋，但是還不能闡述所監測信號與氣孔形成的準確關系。

Yi Zhang等人研究了一種夾層式的方法來對激光深熔焊中的小孔行為進行觀察［18］。將鋁薄膜夾在兩片CG17玻璃之間，通過改變其間鋁薄膜的厚度，可以得到不同濃度的金屬蒸氣、電離原子等。通過這種方法，可以觀察到垂直于工件表面方向的小孔形貌，這對激光焊接小孔的Fresnel吸收和逆韌致輻射吸收的研究提供了更為有效的手段。

華中科技大學的孟宣宣等人采用主動光源和光學窄帶濾光片等輔助器件，利用高速攝像技術對光纖激光焊接過程中的熔池和小孔進行了拍攝，獲得了較為清晰的熔池和小孔圖像，以及不同激光功率下光纖激光焊接熔池和小孔的實際尺寸，為光纖激光焊接熔池和小孔的模擬提供了可靠的參考依據［19］。對高速攝像圖片和焊縫熔深波動以及焊縫形貌進行分析，其結果表明:小孔前沿附近是光纖激光焊接過程中飛濺產生的主要區域;利用高速攝像可以監測焊縫的熔深變化;熔池溫度最低的區域為熔池后部的中軸線兩側，而非熔池邊界處。

1.6 激光－電弧復合焊的研究

激光復合焊接是將物理性質和能量傳輸機制截然不同的兩種熱源復合在一起，同時作用于同一加工位置，既充分發揮了兩種熱源各自的優勢，又彌補了各自的不足，從而形成了一種全新高效熱源的焊接方法。20世紀70年代末，英國帝國大學M.Steen首次提出利用電弧輔助激光進行焊接，并將其用于焊接和切割，發現用激光和TIG焊接可以大大提高薄板的焊接速度［20］。

宋剛等人測試出激光-TIG復合焊時熔深可達單TIG焊熔深的兩倍、單激光焊熔深的四倍［21］。蘆鳳桂等人指出該種復合方式在增大焊縫熔深的同時，增強了高速焊接時電弧的穩定性，可以保證良好的焊縫成形［22］。柳緒靜等人發現電弧和激光快速的復合攪拌可以改善金屬間化合物的均勻彌散分布，使異種金屬鎂和鋁的焊接成為可能［23］。

激光-MIG/MAG復合焊接技術利用填絲的優點，與激光-TIG復合焊相比，其焊接板厚更大、工程適應性更高。MIG/MAG電弧的加入有助于提高間隙搭橋能力，降低單激光焊接時坡口制備和裝夾精度要求;復合焊接中電弧的能量輸入可以方便地控制冷卻狀態;熔敷金屬的加入能夠改善單激光焊接時的焊縫微觀組織，提高焊縫的綜合力學性能［24-28］。激光前置時可以使起弧更容易，并且在合適的規范下可以改變熔滴過渡方式，焊接過程更加穩定，大大減少了單MIG/MAG焊接時的飛濺量，同時減少了焊后處理的工作量［29］。激光 -MIG/MAG復合由于存在送絲，所以大多數采用旁軸復合，同軸復合也能實現［30］，只是其復合焊槍的設計更加復雜，同時當焊絲與激光同軸時會導致激光能量過多地消耗在焊絲上，從而使熔深下降。華中科技大學的胡佩佩等人研究了光纖激光-MIG復合焊接中厚板鋁合金組織特征，結果表明:光纖激光-MIG復合焊接可一次焊透8 mm厚鑄造鋁合金ZL114，焊縫中無大的工藝氣孔，也無熱裂紋，但出現較多的冶金氣孔，焊縫主要由α(Al)和Al-Si共晶組成，上部、中部和下部組織變化不明顯，無分層現象。焊縫較熱影響區和母材組織細密，與熱影響區的共晶組織類似，但與母材共晶組織明顯不同，體現為共晶形態和Si含量的不同。但母材的共晶組織在一定的熱循環條件下，可以轉變為與焊縫類似的共晶組織，枝晶數量隨之減少，枝晶在母材和焊縫中都占絕大部分［31］。Ruifeng Li等人針對4 mm厚的Ti-Al-Zr-Fe合金板開展了激光焊和激光-MIG復合焊的對比研究。研究結果表明:在8 kW的功率下，以1.8 m/min的焊速進行焊接可以得到無缺陷的焊縫，在接頭的拉伸試驗中，斷裂位置均在母材上。相較于激光焊接，激光-MIG復合焊所得到的焊接接頭有更好的延展性。這是因為復合了MIG焊之后焊縫的成形性更好，并且使用了TA-10焊絲。因此，相較于激光焊，激光-MIG復合焊更適用于Ti-Al-Zr-Fe合金的焊接［32］。

Y.B.Zhao等對6 mm厚的5A06鋁合金進行了激光-電弧雙側焊(LADSW)和電弧-電弧雙側焊(DSAW)工藝的對比研究，結果表明:LADSW的焊縫截面形狀兼有激光焊焊縫和氬弧焊焊縫的特點，由于激光對電弧的作用，LADSW的能量效率大于DSAW，并且隨著激光功率的增加，LADSW能量效率與DSAW能量效率的比值也增大。LADSW焊縫中的晶粒較為細小，其接頭系數為91.7%，高于DSAW 焊縫的 82.3%，延伸率較高［33］。

1.7 鋁合金的光纖激光焊的研究

光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有很多優點，例如功率高、輸出激光波長多、光束質量好等。對光纖激光焊接的研究，正成為激光焊接研究的熱點。

IPG光纖激光在鋁合金焊接中的應用方面，在2000～2003年間，IPG推出了應用于材料加工的大功率光纖激光，當時推出了4 kW的激光器，而在2008年，IPG為德國和日本分別提供了一臺30 kW和20 kW的光纖激光器，并給出了幾種鋁合金光纖激光焊焊縫截面［34］。

Seiji Katayama等人研究了光纖激光焊接鋁合金中工藝參數對焊接缺陷的影響［35］，結果表明:如果焊接速度過慢，熔池不能得到充分的保護，會在表面形成氧化膜，造成焊縫表面的不規則;如果增大氣體噴嘴的直徑，有利于避免焊縫塌陷。研究還發現，焊接A5083鋁合金時會形成較多的氣孔。這是因為其Mg元素含量較多，熔池表面張力小，從而導致了小孔的不穩定。激光的入射角度對氣孔的形成也有影響，當入射角度達到50°時，氣孔基本消失。對比了氬氣和氮氣對氣孔的影響，發現用氮氣保護時可以大大減少氣孔的數量，這是因為高溫下氮氣與鋁結合而不會進入小孔。

俄羅斯航空材料研究院的I.N.Shiganov等人對俄羅斯研制的幾種鋁合金的光纖激光焊接工藝進行了研究，并與CO2激光焊進行了對比［36］。這幾種鋁合金包括 01570、1370、1913、V-1424、1461、AMg6，在航空制造中都有著很好的應用前景。作者將光纖激光焊和CO2激光焊進行了對比，光纖激光焊接鋁合金的效率比CO2激光焊接高出25% ～30%。研究中發現，鋁合金的光纖激光焊可以得到均勻分布的細晶組織，晶粒尺寸在5～15 μm，熱影響區很窄，最小為 300 ～ 400 μm;通過填充Sv-AMg3焊絲，光纖激光焊接AMg6鋁合金的接頭強度系數可以到達84%;填絲光纖激光焊除了可以提高接頭的強度系數外，還降低了對裝配間隙的要求，尤其對AMg6而言，通過填絲，裝配間隙可以增大到1 mm而不引起接頭強度的下降。

2 結論

鋁合金的焊接存在一定的難點，高功率密度激光焊接工藝以其特點已經成為鋁合金焊接的重要手段，并在航空領域得到廣泛應用。國內外對鋁合金激光焊的工藝展開了多方面的研究，推動了鋁合金激光焊的發展。但國內對鋁合金激光焊接的研究，尤其是光纖激光焊接鋁合金的研究還不夠深入，限制了鋁合金在航空等重要領域的應用。隨著鋁合金激光焊技術的不斷進步，在更多領域會得到實際的應用。

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