高強超輕鋁鋰合金的雙光束激光焊接

（浙江師范大學，浙江 金華 321004）

1、雙光束激光焊接原理

雙光束激光焊接是激光焊接的一種特殊加工方法，因其可以擴大匙孔的開口、提高焊接過程穩定性的優勢，已經成為激光焊接的新的發展方向。雙光束激光焊接原理一般可分為三種機制。

第一種機制是一束光進行深熔焊接，另一束光散焦或功率較小，作為熱處理源。這種方式可用以焊接裂紋敏感性材料，以提高焊縫的韌性，如高碳鋼，合金鋼等。

第二種機制是兩束光在同一熔池內產生兩個獨立的匙孔，改變熔池流動方式，防止咬邊、焊道凸起等缺陷的產生。這種方式可以改善焊縫成形。

第三中機制是兩束光在熔池中產生一個共同的匙孔，匙孔尺寸變大，不易閉合，焊接過程更加穩定，氣體更易排出。

2.雙光束激光焊接鋁鋰合金的優越性

在采用一般的單獨激光焊接鋁合金時，由于鋁合金容易產生氣孔、熱裂紋和因鑰孔塌陷而產生的小孔、飛濺等缺陷現象，這是激光焊接鋁合金時最常見的焊接缺陷。與一般的單獨激光焊接鋁合金相比，雙光束激光焊有相對較寬的焊寬和較低的焊縫深度比，這能顯著的提高鑰孔的穩定性和可以明顯的降低氣孔敏感性。在雙光束激光焊接鋁合金中由于第二束激光是直接照射熔池的，這就改善了工件對激光能量的吸收與利用。在加大焊接熔深、提高焊接能力的同時，雙光束激光焊接降低了激光器的功率輸出，從而節約焊接成本。另外由于雙光束激光焊接的第二激光增加了溶池的寬度和存在時間，使熔池流動更加穩定，氣化的低熔點金屬有較長時間溢出，增加鑰孔穩定性，從而減少了飛濺；解決了鋁鋰合金在焊接后冷卻過程中由于鋁合金熔體吸收的氫氣來不及析出，易在焊縫中形成氣孔的問題，有效的降低了氣孔形成的機率，提高了焊接的質量和性能。

3.雙光束激光焊接鋁鋰合金的工藝參數

由于雙光束激光焊接的兩激光束間有相互作用，其能量轉換機制比一般激光深熔焊更加復雜，在已知焊接材料及其厚度、接頭方式、聚焦光斑直徑、保護氣及流量的條件下，影響焊接質量的參數主要是激光功率、焊接速度、焦點間距和離焦量。

3.1 激光功率

激光功率是激光焊接工藝參數中影響最大的一個。在激光焊接鋁鋰合金的過程中，隨著激光功率的增加，焊縫正面和背面熔寬皆呈現上升的趨勢，熔深逐漸增大。但激光功率不能超過一定的臨界值，例如當功率已超過2500瓦時，隨著激光功率的繼續增大，焊縫正面熔寬會繼續增大，焊縫背面熔寬反而減小，造成熔融金屬向下流動，使得焊縫表面下凹產生塌陷。另外大量實驗表明激光功率與焊縫中氣孔數量并無直接關系。

3.2 焊接速度

焊接速度對焊縫成形的影響僅次于激光功率。一般來說，在其他參數不變的情況下，隨著焊接速度的增大，分布在單位面積上的激光能量就會減少，從而導致熔深變淺，焊縫的正面和背面熔寬亦逐漸減小。但從防止焊接缺陷方面出發，焊接速度較小時，激光光束停留在試板表面的時間較長，作用在某點上的激光能量較多，因此熔深較大。此外，熔池中熔融金屬的凝固時間變長，溶解在其中的氣體，尤其是氫氣會有更多的機會逸出，減少冶金氣孔的產生。因此，當焊接速度較小時，焊接氣孔的數量會減少，并且焊后接頭的力學性能會比較好。

3.3 焦斑間距

兩焦點之間的距離稱為焦斑間距，在成一定角度的雙光束焊接時，隨著雙光束焦斑間距的不同，在深熔焊時其形成小孔的機理也不同，當兩焦斑間距過近時，兩束光形成的小孔會在板材加工面下相交，形成兩個交叉的小孔；隨著兩焦斑間距的增大，兩束光相互作用形成一個小孔，上端開口增大有利于氣體逸出，穩定焊接過程；當兩焦斑間距繼續增大時，兩束光將形成兩個獨立的小孔，熔深變淺，所以在雙光束焊接中焦斑間距對焊縫成型、熔深和熔寬都有很大的影響。

3.4 離焦量

離焦量不僅影響焊件表面激光光斑大小，而且影響光束的入射方向，因而對焊接熔深、焊縫寬度和焊縫橫截面形狀都有較大的影響。當離焦量很大時，熔深很小，屬于傳熱焊；當離焦量減小到某一值后，熔深發生跳躍增加，標志著小孔已產生。實驗結果表明：最佳離焦量是焦點位于負向距板材上表明1/3處。當離焦量正向或負向增大時，小孔的穩定性減弱，并且波動變化更為頻繁、劇烈，從而導致焊縫中產生更多的工藝氣孔。

4.鋁鋰合金T型接頭雙光束激光焊接工藝

4.1 影響焊接熱裂紋因素

在雙光束激光焊接的過程中隨著送絲速度的增加，裂紋數量顯著減少。送絲量越大，熔池中填充金屬越多，熔池凝固結晶時將生成更多的鋁硅共晶對裂紋的愈合能力越強。但是當送絲速度過大時，焊縫成形不良，且仍不能完全避免裂紋產生。

4.2 接頭的力學性能

熔合區是鋁鋰合金T型接頭雙光束激光焊接接頭最薄弱部位。在環向拉伸實驗時，接頭環向拉伸強度385～415MPa，斷裂起始于焊趾，而后裂紋沿熔合線擴展，最終斷裂于母材。

4.3 離焦量對接頭成形的影響

離焦量是激光焊接的一個重要參量，即焊接時光束焦點距離焊件上表面的距離，其中焦點位于焊件表面以上為正離焦，位于表面以下為負值。當離焦量為非零值時，作用于焊件表面的光斑面積變大，使得表面熔化量增大，因此焊縫表面熔寬增加；同時，光斑面積變大引起激光功率密度降低，導致光束穿透能力下降，因此焊縫背面熔寬和熔深減少，其規律和單光點激光焊接一致。

4.4 光點間距對接頭成形的影響

光點間距對焊縫成形影響很大，隨著光點間距的增加，激光對材料的熔透能力明顯減弱，焊縫熔寬增加而背寬比減小，但焊縫成形質量得到改善。當兩光點完全分離時，由于兩光束對熔池的共同作用急劇降低，不能獲得熔透的焊縫。當光點間距大于光斑直徑即兩光斑完全分離時，焊縫表面平整，咬邊、飛濺等缺陷明顯減少。但光點間距并非越大越好，當光點間距增大到一定程度，由于兩光束對熔池的共同作用減弱，使得焊縫表面質量下降，同時出現較大氣孔的趨勢加劇。

5.雙光束激光焊接鋁鋰合金存在的問題

由于雙光束激光焊接的顯著的技術優勢，近年來鋁鋰合金的激光焊接方面取得了巨大的發展。但是，由于鋁鋰合金除了具有常規鋁合金所具有的物理和化學特性外，還具有更高的表面活性及更低的電離能。因此，鋁鋰合金的雙光束激光焊接也就存在更多的需要進一步深入研究的問題。首先，鋁鋰合金激光同樣會遇到鋁合金激光焊接的普遍問題：深熔焊接穩定性差。鋁鋰合金激光焊接過程的不穩定性可分為三種情況：①過渡區不穩定；②深熔焊接過程不穩定；③在高功率密度時，可能會出現光致等離子體對激光的屏蔽，導致深熔焊接過程中斷。雙光束激光焊接作為一種熔焊方法，由于鋁鋰合金對激光的高反射性和鋁鋰合金本身的物理化學性能，其焊接也存在一般熔焊工藝方法會遇到的問題，主要是氣孔問題。對于焊縫氣孔，除了氫氣孔以外，還有工藝氣孔，即不穩定的小孔在焊接過程中突然閉合，在焊縫中形成的氣孔；以及由于小孔中的金屬蒸汽向外噴發時將熔化的金屬帶出熔池而在焊縫中留下的空洞。

6.總結

雙光束激光焊接是一種激光焊接的新型技術，其應用范圍和焊接能力還并沒有真正被人們完全認識，還有待于進一步研究和開發。相信不久的將來，雙光束激光焊接技術不僅會在更多的加工領域出現，而且還會成為這些領域的主流加工技術之一。

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