1 鋁合金分類和焊接性

　　鋁及鋁合金可分為1000系（工業純鋁）、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：非熱處理強化鋁合金和熱處理強化鋁合金。

　　不同鋁合金焊接性能各異，比如非熱處理強化的鋁及鋁合金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ω（Mg）=2%時合金產生裂紋，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。焊接前可對材料進行表面處理，使用有機溶劑去除油污 灰塵，隨后再在 NaOH 溶液中浸洗，用流動水將表面堿液沖洗干凈后再進行光化處理，處理過的焊件在 24 h 內進行焊接工藝實驗。

　　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，具有加熱快和瞬時凝固的特點，深寬比高達到12：1但是由于鋁合金具有高的反射率和良好的導熱性以及等離子體的屏蔽作用，焊接時不可避免地出現一些缺陷問題，其中最主要的兩個缺陷是氣孔和熱裂紋。由于鋁合金對激光的反射很強，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，也使得激光焊接工藝更加復雜，亟待改進和完善。

　　2.1 激光吸收率

　　材料對激光的吸收率越高，或傳熱系數、導溫系數越小，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。

　　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。這是因為鋁合金中自由電子的密度很大，在光波電磁波強烈震動下產生強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”的誘導和穩定

　　在激光焊接過程中，當激光能量密度大于 3.5*10^6W/cm2時會產生離子體，焊接方式以深熔焊方式進行，其原理主要是“小孔”效應，“小孔”的出現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和維持穩定的困難，這是由于鋁合金本身材料特性和激光束的光學特性造成的。如前所述，常溫下的Al能反射掉80%的能量，再加上其導熱性好，要產生“小孔”就需要一個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閾值，一旦輸入功率大于此值，激光能量向材料內部的傳遞不再受熱傳導的限制，焊接則以深熔焊方式進行，激光輻射將引起母材金屬強烈蒸發并形成蒸發凹槽，激光束通過蒸發凹槽深入到材料內部，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，這樣就對焊接機型以及準直聚焦鏡的選擇都有一定要求。

　　2.3 焊縫的機械性能

　　細晶強化、固溶強化、時效沉淀強化是鋁合金的幾種強化機制，即使存在這些強化機制，激光焊接過程中 Mg、Zn 等低熔點合金元素的大量蒸發，也會導致焊縫下沉，硬度和強度下降。瞬時凝固過程中，細晶強化組織轉變成鑄態組織后，其硬度、強度會有所下降。此外，焊縫中裂紋、氣孔的存在導致抗拉強度降低。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生氣孔，主要有兩類：氫氣孔和匙孔破滅產生的氣孔。

　　（1）氫氣孔。鋁合金在高溫下表面極易形成氧化膜，氧化膜容易吸附環境中的水分。激光加熱時，水分分解產生氫，而氫在液態鋁中的溶解度約為其在固態鋁中溶解度的20倍。在合金瞬時凝固過程中，由液態鋁向固態轉變時，氫的溶解度急劇降低，液態鋁中多余的氫如果不能順利上浮溢出就會形成氫氣孔。這類氣孔一般形狀規則，尺寸大于樹枝晶尺寸，在其內表面可見有樹枝晶結晶凝固花樣。

　　（2）匙孔塌陷。焊接小孔內在自身重力和大氣壓力處于平衡態，一旦平衡被打破，熔池中液態金屬不能及時流過來填充就會形成不規則孔洞，有研究發現孔洞內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，氫氣孔問題更加嚴重，并且在激光焊接中還多了一類由于小孔的塌陷而產生的孔洞。

　2.5 熱裂紋

　　鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易出現熱裂紋，包括焊縫結晶裂紋和HAZ液化裂紋。通常結晶裂紋出現在焊縫區，液化裂紋出現在近縫區。鋁合金中尤其6000系列Al-Mg-Si合金裂紋敏感性大，母材經歷了快速加熱和冷卻，在瞬時凝固和結晶過程中，由于存在較大的過冷度，晶粒沿垂直焊縫中心方向生長，在柱狀晶邊界形成Al-Si或Mg-Si、Al-Mg2Si等低熔點共晶化合物，削弱晶面結合力，在熱應力作用下易產生結晶裂紋。在鋁合金焊接過程中，諸如一些低沸點元素（Mg、Zn、Mn、Si等）容易蒸發、燒損，焊速越慢，燒損越嚴重，從而改變焊縫金屬的化學成分。由于焊縫區成分偏析會發生共晶偏析而出現晶界熔化，在應力作用下會在晶界處形成液化裂紋，降低焊接接頭的性能。

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