铝合金的激光束和激光电弧复合焊接（二）

摘要：铝及其合金的焊接可采用多种焊接方法。表1列出了其中的一些方法及其优缺点。不同类型的激光可用于焊接，其特性如表2所示。如今，CO2和Nd:YAG激光器由于维护成本高且需要大面积使用而较少使用。电效率是一个重要的参数，这可能是这些激光器较少使用的主要原因。此外，光

不同焊接方法的比较

铝及其合金的焊接可采用多种焊接方法。表1列出了其中的一些方法及其优缺点。不同类型的激光可用于焊接，其特性如表2所示。如今，CO2和Nd:YAG激光器由于维护成本高且需要大面积使用而较少使用。电效率是一个重要的参数，这可能是这些激光器较少使用的主要原因。此外，光纤具有更大的灵活性。单模光纤激光器可以提供非常高的光束质量，光束参数乘积(BPP)为1.0 mm×mrad，光斑尺寸很小，可以达到10 μm或更小。然而，它们在工业上广泛应用于高功率二极管激光器(HPDL)的熔覆和表面硬化目的。可能在未来，它们可以用于焊接以及改进的BPP，以实现更小的光斑尺寸和更高的穿透力。

表1. 铝合金常用焊接方法的比较 (符号表示:+为低水平，++为中等水平，+++为高水平)

表2. 铝合金激光束焊接用激光源的性能

铝合金激光束焊接物理学

1 激光束与物质的相互作用

激光束焊接通常在没有填充焊丝的情况下进行，更常用于连接薄板(5 mm)的LBW是一个有吸引力的选择。LBW可以在热传导和锁孔模式下工作。为了形成锁孔，必须向工件提供每单位长度达到106 W/cm2的高能量。当然，这个数字取决于波长和表面条件。根据Behler等人的研究，Nd:YAG激光器产生一个锁孔所需的功率密度是CO2激光器的一半，其钻孔时间比CO2激光器缩短了几倍。预计光纤和碟片激光器也会出现类似的情况。在热传导模式下(见图1)，能量应不足以形成锁孔，但应足够高以局部熔化材料。熔体流动非常依赖于表面活性元素。熔体流动的物理特性与TIG熔池具有高度的相似性，因为两者都具有高斯热分布，但都是光子而不是电子和离子。在热传导和锁孔之间也有一个过渡模式。激光可以提供两种基本的时间模式：连续波(CW)和脉冲波(PW)。连续波时，工作功率输出是恒定或连续的，多用于厚薄板的焊接，而PW时，激光输出是通过峰值功率、平均功率、脉冲频率和持续时间、脉冲形状等不同参数调制的。PW更常用于薄板，但也可用于厚板。

锁孔模式可用于连接薄板(0.5-1.5 mm)，其熔池形状类似链状或扣眼的几何形状，在完全穿透中，这受到表面张力的高度影响。在这种情况下，锁孔出口是打开的，散焦激光束可以确保无飞溅和无孔隙的焊缝。激光束的一部分正穿过锁眼。与热传导模式相比，可以实现高焊接速度。然而，过高的焊接速度可能会破坏锁孔的稳定性，并在焊缝上产生被称为气孔的孔洞。在这种情况下，填充焊丝的应用可能具有挑战性。

锁孔的形成是一个复杂的现象，包括不同的阶段。首先，由于激光对光子的吸收较低，金属表面被激光加热的速度较慢。吸收随着温度的升高而增加，并促进了匙孔壁上熔融金属的强蒸发速率，通过高速向下推动熔融金属形成锁孔，产生了大量的反冲(烧蚀)压力。反冲压力负责保持锁孔打开。生成锁孔的时间周期很快，约3.0 ms，可以认为是即时的。在此过程中，由超细颗粒组成的金属蒸汽从锁孔喷出，在表面上方产生，并不断上升到表面上方。这就形成了焊缝或等离子体羽流，可以部分吸收激光束。为了实现锁孔稳定，需要一个高于周围大气的压力。对锁孔的稳定性起作用的力是熔融材料的表面张力、流体静压力和流体动压。在锁孔焊接过程中，激光通过菲涅耳吸收(Fresnel absorption)进入孔口传播，并受到多次反射，产生强烈的局部蒸发。因此，大部分光束能量在锁孔壁处被吸收。因此，锁孔是一个充满蒸发材料的空腔，熔化周围的金属。

热传导和锁孔模式下LBW的图形示意图分别如图1和图2所示。对于热传导模式，表明了径向向外的流体流动方向，由于负表面张力系数而由Marangoni力驱动。表面活性元素(如硫含量)对钢的表面张力起重要作用，但对铝合金则无关紧要。大多数添加元素进一步降低了铝合金的表面张力;最有效的是Li, Bi, Pb和Mg。相反，Fe和Ni会增加表面张力。因此，表面张力系数为负。根据工艺参数的不同，会产生二次涡。根据文献，铝合金和钢的锁孔LBW的熔体流动具有惊人的相似性。这种熔体流动适用于高功率激光熔化厚板的中低焊接速度。采用超高功率激光强度和快速焊接速度，可使锁眼后熔体流动方向向上。对于功率密度较低的薄板激光焊接，熔体流动不同，在全熔透模式下，由于强对流导致熔池从根部拉长。在激光-电弧复合焊中，熔体流动受到电弧的强烈影响。

图1. (a)从根侧闭合时锁眼模式下的激光束物理示意图，中厚板(> 5mm)的熔体流动物理依据 (b)薄板锁孔激光焊接为受表面张力强烈影响的链状开口锁孔

图2. 基于熔体流动的热传导模式下激光束物理原理图

大多数激光系统提供高斯功率分布轮廓(如图1和2所示)。然而，激光束可以定制为许多形状，多聚焦光学的应用可以提高锁孔的稳定性，以减少飞溅和孔隙率。

铝合金激光锁孔焊接的一些优点是:

1.由于能量集中，熔深，焊接速度快，使生产率比传统电弧焊提高10-20倍以上。

2.较低的热量输入提供较低的变形和残余应力。

3.减少热影响区软化，由于低热量输入。

4.低热量输入产生更窄的热影响区，减少了相关的液化开裂。

5.更小的熔池和更快的凝固速度减少了氢气从大气中吸收;因此，氢致孔隙率较低。

更快的凝固速度可以防止柱状枝晶的产生，从而提高机械性能。

6.灵活的工艺，可以加入各种几何形状与多片设置。

7.深而窄的焊缝可以增强疲劳性能。

2 焊接羽烟的物理原理及其对工艺的影响

在LBW过程中，激光诱导羽流(也称为焊接羽流或等离子体)在母材的非平衡蒸发过程中从锁孔壁或克努森层施加。由于涉及到非常高的温度，羽流由电离的金属粒子组成，在匙孔上方形成粒子云。因此，有时将焊缝羽流称为金属蒸汽或金属蒸汽和羽流，这在科学上更为正确。金属蒸汽对工艺有负面影响。它以20-250 m/s的高速从匙孔开口喷射出来，并强烈依赖于所施加的激光功率。金属蒸汽温度接近铝的沸点。在高激光束功率下，由于入射激光束的散射或吸收而发生衰减，称为等离子体阻断效应。这导致较低的渗透深度和过程不稳定性。

它还归因于焦点位置向下移动，因此预计会有更大的光斑尺寸。侧喷流去除是一种强烈推荐的抑制等离子体阻断效应的有效方法。使用100%惰性保护气体(Ar、He或其混合物)或N2，几乎所有的焊接工艺都可以焊接铝合金。保护气体必须用于保护熔池和固化金属免受有害环境气氛的影响，对工艺稳定性和焊接质量有重要影响。它影响焊缝形状、焊深、力学性能和工艺特性。在LBW中，保护气体的主要目的也是通过吹走激光诱导等离子体并达到稳定的熔化条件来减少激光诱导等离子体的数量。保护气体的组成对激光与电弧的协同作用有很大的影响。

光纤激光器的波长较短(1.07 µm)，有利于金属的吸收，在铝合金焊接中具有优于CO2激光器的优势。当氩气(Ar)用于CO2激光器时，由于密集和大尺寸的蒸汽羽状物，它吸收入射激光能量并使激光束散焦。因此，对于CO2激光器，强烈建议在过程中使用纯氦(或含有更高He含量的混合物)来获得超细羽状物，以保持稳定性，减轻阻塞效应。然而，要用光纤激光器获得稳定的过程，使用Ar就足够了，而不需要非常昂贵的He。因此，使用短波长激光器进行LBW和LAHW是一个非常有前途和成本效益的过程。然而，使用氦气保护气体可以提供诸如增加穿透性(更高的热量输入)和降低孔隙率等优点。然而，由于氦的高电离势，它也会增加电弧的不稳定性，这使得电弧电离更加困难。氩更容易电离，因此提供更稳定的电弧。

保护气体对等离子体中粒子的大小有很大影响。用氩气焊接产生足够大的粒子，提供更强的等离子体阻断效应或激光功率衰减。氦气保护气体提供更小的颗粒，提高了过程的稳定性。对于高功率Nd:YAG LBW，根据Matsunawa等，Ar的粒径平均为20 nm, He的粒径为12 nm。Greses等人报道了8.0 kW连续Nd:YAG激光器产生的颗粒尺寸小于50 nm。衰减的主要机制是瑞利散射和米氏散射(两者都是弹性碰撞)，由于粒子的聚集和密度的关系，衰减的幅度可达激光功率的40%。瑞利散射主要发生在粒径小于入射激光波长的情况下，而米氏散射主要发生在粒径大于入射激光波长的情况下。后一种情况有更不利的影响，较低的入射激光功率，从而实现较低的穿透。

Gao等人对LBW焊接等离子体进行了详细的研究。在氩保护气体中，以高达5.0 kW的辐照产生弱电离等离子体。当激光功率超过5.0 kW时，会产生强电离等离子体，由于逆轫致辐射(IB)吸收，导致穿透深度降低。根据发射光谱分析，低功率下的金属蒸气由Al I、AlO和Mg I谱线组成。Zhang等人在3.0 kW时也观察到了类似的结果。在高激光功率(6.0 kW)下，Al和Mg的蒸发强度增加了10倍，并添加了Mg II和Zn I谱线。随着激光功率的增加，观察到电子温度和密度的急剧增加，这可能是汤姆逊散射的原因。铝金属蒸气的热物理性质尚未广泛发表。众所周知，金属蒸气具有很高的温度，它是熔化周围材料的原因。金属蒸汽的速度方向和大小还没有被很好地理解。铝蒸气压力随温度升高而升高。因此，入射激光束的吸收和散射变得更高。然而，未来应该进行更多的研究。

因此，在高激光束强度焊接过程中，适当的保护气体流量、保护气体的排列和保护气体的角度以及利用附加气刀吹除锁孔上方的等离子体是至关重要的。例如，Katayama等人表明，使用风扇来抑制焊缝羽流可以提供更好的工艺稳定性和增加渗透深度。张旭东等人利用气体辅助技术在锁孔内吹气，在增加穿透深度方面取得了显著成就，降低了等离子体羽流密度，减轻了其剧烈波动。

在铝合金的连接中，经常使用搭接，例如在汽车工业中。当然，当整个过程以全穿透模式进行时，一部分激光功率和焊接羽流会在锁孔打开时穿过板。因此，等离子体阻断效应得到了缓解。一个更独特的和较少研究的情况是当气隙在板之间应用。气隙对激光与金属的相互作用有重要影响。它还可能影响金属蒸汽的行为，并随后影响整个过程。在有气隙的装置中，金属蒸汽部分从根部逸出。激光诱导的等离子体在表面上形成的数量较少，因为它主要形成于边缘之间。在某些情况下，这比零间隙配置更可取。保护气体将金属蒸汽从气隙中移除，使该过程稳定下来。气隙很难实现，因为激光束必须精确地跟随气隙而不改变焦点位置。

环境气压对LBW有巨大的影响。Wang等人通过焊接130 mm厚取得了显著的成果5A06 (Al-Mg)合金只需要两道次。在显著降低的压力下，金属蒸汽的尺寸显著减小(见图3)，从而大大减轻了等离子体阻塞效应。这提高了稳定性，减少了等离子体波动和飞溅。然而，由于超高功率密度，穿透深度仅略有增加。在低环境压力下，锁孔前壁的稳定性和基于数值模拟观测到熔体。因此，在熔体流动更快但方向相似的情况下，注意到一个稳定的穿透深度而没有尖峰。稳定性也与锁眼内较低的沸点有关。由于较低的激光功率测试，只有在10 mm铝镁合金上施加3 kW，穿透深度也有显著增加。