铝合金 激光焊 LBW 激光—电弧复合焊 LAHW 缺陷与性能
应用背景#
铝合金具有高强重比、优良的耐腐蚀性、良好的导热导电性和可回收性，广泛应用于航空航天、汽车制造、轨道交通、船舶和电子产品等领域。
- 汽车工业： 轻量化是汽车发展的趋势。铝合金车身、底盘部件和电池包壳体能够有效降低车重，提高燃油经济性或电动汽车续航里程；
- 航空航天： 对材料性能要求极高，铝合金，尤其是 2xxx 和 7xxx 系，是飞机结构的主要材料，焊接是实现复杂结构连接的关键；
- 船舶与海洋： 5xxx 系铝合金耐海水腐蚀、焊接性良好，广泛用于船体结构；
- 电子与电池： 铝的高导电性和轻量化使其成为电池汇流排、壳体等部件的理想材料。
然而，铝合金焊接极具挑战：
- **熔化极气体保护焊（GMAW/MIG）**虽然成熟，但焊接厚板时需要开坡口、多道焊，热输入大，容易产生变形和较宽的软化区；
- **搅拌摩擦焊（FSW）**是固相连接技术，可以避免许多熔焊问题，但设备成本高，对复杂曲线焊缝适应性较差，并存在轴肩压痕、匙孔等问题；
- **激光焊（LBW）**能量密度高、速度快、热输入小、变形小；
- **激光—电弧复合焊（LAHW）**结合激光与电弧优势，可弥补单一热源的不足，提高焊接效率和质量。
成熟、低成本，但热输入和变形较大。
高速、低热输入，但对装配间隙敏感。
兼顾深熔、填丝和间隙桥接能力。
固相连接性能好，但设备和轨迹受限。
铝合金特性及其对焊接的影响#
热物理性能（Thermophysical Properties）
热导率（Thermal conductivity）： 铝的热导率远高于钢，并随温度升高而降低。焊接时热量会迅速散失，因此需要更高的线能量或功率密度才能使材料熔化。
熔点：铝的熔点约为 660 °C，但表面 Al₂O₃ 的熔点高达 2050 °C。 因此，焊前必须去除氧化膜，否则氧化膜可能进入熔池形成夹杂并影响熔透。
密度、比热容和表面张力： 这些参数在熔点附近发生显著变化。铝的表面张力较低，熔池流动性好，但也容易出现焊缝塌陷、驼峰等缺陷。
热膨胀系数： 铝的热膨胀系数约为钢的 2 倍，凝固收缩大，容易产生焊接变形和残余应力。
这些特性直接决定工艺选择：
- 高热导率要求激光功率足够高、焦点位置准确；
- 氧化膜问题要求焊前严格清理，并在焊接过程中提供良好保护；
- 高膨胀系数要求考虑焊后变形控制与应力消除。
吸收率（Absorptivity）
铝对激光的吸收率受波长影响很大。
- 对长波长 CO₂ 激光（10.6 µm）的吸收率很低，室温下低于 10%；
- 对光纤／碟片激光（约 1 µm）的吸收率稍高，室温下约为 20%–30%；
- 蓝光激光（450 nm）对铝的吸收率可达 60%–70%。
需要注意，吸收率会随温度升高而增加。一旦形成匙孔（keyhole），光束在匙孔内多次反射，吸收率会迅速提高至 80%–90%。
这解释了为什么早期使用 CO₂ 激光焊铝非常困难，而光纤激光如今成为主流。蓝光激光在铜、铝等高反材料焊接中也展现出巨大潜力，尤其适用于电池极耳焊接等薄件场景。
氢气溶解度（Hydrogen Solubility）
氢在液态铝中的溶解度远大于固态铝，而且温度越高，溶解度越大。 凝固过程中氢溶解度急剧下降，过饱和氢析出并形成气孔。
这是铝合金焊接气孔的主要来源。控制氢源，包括母材、填充焊丝、保护气和环境水汽，并促进氢气逸出，是防止气孔的关键。
铝合金分类
加工硬化型（不可热处理强化）： 1xxx（纯铝）、3xxx（Al–Mn）、5xxx（Al–Mg）。它们通过冷变形提高强度；焊接时，热影响区（HAZ）会发生回复和再结晶，造成强度下降。
热处理强化型： 2xxx（Al–Cu）、4xxx（Al–Si，主要用作焊丝）、6xxx（Al–Mg–Si）、7xxx（Al–Zn–Mg–Cu）。它们通过固溶处理 + 时效析出强化相提高强度；焊接时，HAZ 中的强化相会溶解或粗化，导致强度大幅下降。
填充焊丝： 主要用于调整焊缝成分、降低裂纹敏感性和提高强度，常用型号包括 ER4043（Al–5Si）和 ER5356（Al–5Mg）。
总结而言：5xxx 系通常焊接性较好，但 Mg 含量高时容易蒸发；6xxx 系焊接性良好，但 HAZ 软化严重；2xxx 和 7xxx 系强度高，但热裂纹和气孔倾向大，焊接难度高。
不同焊接方法对比#
| 方法 | 主要优势 | 主要限制 |
|---|---|---|
| MIG / TIG | 成本低、工艺成熟 | 热输入大、效率较低、容易变形 |
| 激光焊 LBW | 速度快、热输入小 | 对间隙敏感，可能出现气孔和裂纹 |
| 激光—电弧复合焊 LAHW | 兼具激光和电弧优势，效率高、间隙桥接能力好 | 双热源耦合和参数匹配更复杂 |
| 搅拌摩擦焊 FSW | 固相连接、无熔化、接头性能好 | 设备和工艺存在局限 |
激光源比较
- CO₂ 激光器： 波长 10.6 µm，铝吸收率低，正逐渐被淘汰；
- Nd:YAG 激光器： 波长 1.064 µm，电光效率低、维护成本高；
- 光纤激光器： 波长 1.03–1.07 µm，电光效率高，约 30%–40%，光束质量好，即 BPP 小，并可通过柔性光纤传输，是目前主流。
**光束参数积 BPP（Beam Parameter Product）**是衡量激光光束质量的重要指标。BPP 越小，光束质量越好，意味着光束可以聚焦到更小的光斑，或在相同光斑尺寸下获得更大焦深；这对深熔焊和匙孔稳定性非常重要。
铝合金激光焊：物理过程#
激光—材料相互作用
热导焊（Conduction Mode）： 激光功率密度较低，通常低于 \(10^5\ \mathrm{W/cm^2}\)。材料表面熔化但不发生汽化，熔深浅、熔宽大，类似 TIG 焊，适用于薄板焊接或表面改性。
匙孔焊（Keyhole Mode）： 激光功率密度较高，通常超过 \(10^6\ \mathrm{W/cm^2}\)。材料表面迅速汽化，金属蒸气反冲压力排开熔融金属，形成充满金属蒸气的小孔——匙孔。激光束在匙孔内多次反射，能量吸收率急剧提高，实现深熔焊接，这是 LBW 的核心。
匙孔的形成与维持： 蒸气反冲压力需要与熔池表面张力、静压力和流体动力达到动态平衡。
熔池流动： 受 Marangoni 效应、蒸气反冲压力和匙孔壁形状等因素影响，流动过程非常复杂，并直接影响热量与质量传输、气泡行为和焊缝成形。
光束形状： 高斯光束最常见；平顶光束、环形光束或更复杂的光束整形技术，可以改善匙孔稳定性、减少飞溅并控制熔池形态。
等离子体／金属蒸气羽辉及其影响
匙孔中喷出的高温金属蒸气和部分电离的等离子体会形成羽辉。
- 等离子体屏蔽： 羽辉吸收和散射入射激光，降低有效能量，影响熔深与匙孔稳定性。CO₂ 激光受影响尤其明显；光纤激光波长较短，等离子体吸收较弱，但金属蒸气颗粒散射仍然存在；
- 焦点漂移： 等离子体的折射效应可能使激光焦点位置偏移；
- 控制方法： 使用侧吹辅助气体，例如 Ar、He 或其混合气，吹散羽辉。He 电离能高、密度小，抑制等离子体效果好，但成本高；Ar 较常用，却可能形成较浓的金属蒸气。
辅助气体种类、流量、喷嘴角度和距离对羽辉控制至关重要。对于大功率激光焊，羽辉控制是保证焊接质量与稳定性的关键。
激光—电弧复合焊（LAHW）#
激光—电弧复合焊旨在结合两种热源的优点，实现 “1 + 1 > 2” 的效果。
基本原理与优势
- 激光提供集中的能量，实现深熔，并能稳定电弧；
- 电弧提供额外热量，熔化填充焊丝，增加熔宽、桥接间隙，并对铝表面产生阴极清理作用，具体效果取决于电弧极性；
- 综合优势： 更高焊接速度、更大熔深、更好的间隙桥接能力、更灵活的冶金控制和更低的变形。
LAHW 类型
电弧在前／激光在后： 电弧预热工件，提高激光吸收率，可能获得更大熔深。
激光在前／电弧在后： 激光先形成匙孔，电弧负责填充并修饰焊缝形状。这是更常见的组合，有利于提高间隙桥接能力和焊缝成形质量。
激光与电弧的距离：
- 耦合焊距离较近，例如 2–5 mm，激光等离子体与电弧等离子体相互作用并产生协同效应；
- 组合焊距离较远，例如大于 8 mm，相互作用较弱，可视为两个独立热源先后作用。
电弧类型：MIG 最常用，因为它能够自动填丝。 TIG 也可用于需要精密控制的场合。
原文保留句：“工程实践：电弧引领还是激光引领，以及 DLA 的选择，取决于具体应用（如追求”。该句在提供的离线原文中即止于此处，后半句缺失，因此未擅自续写。
激光束与电弧的相互作用
激光产生的金属蒸气和等离子体能够为电弧提供导电通道，从而稳定电弧、降低电弧电压并增加电流；电弧等离子体也可能对激光束产生一定屏蔽。
协同效应： 在合适的激光—电弧距离下，两种热源可以相互促进，提高能量利用率和熔深。
集中能量并提供金属蒸气导电通道。
桥接间隙、调节成分并延长熔池寿命。
提高速度、熔深、成形和工艺容差。
凝固行为与热裂纹#
凝固组织
焊缝组织通常为柱状晶或等轴晶。\(G/R\) 比值，即温度梯度 \(G\) 与凝固速率 \(R\) 之比，决定凝固形态：
- 高 \(G/R\)：平面晶或胞状晶；
- 低 \(G/R\)：树枝晶；
- 极低 \(G/R\)：等轴晶。
快速冷却有利于细化晶粒、减小二次枝晶臂间距并提高性能。
热裂纹
机理： 凝固末期，固相骨架已经形成，但晶界处仍存在液膜。此时，凝固收缩产生的拉应力超过液膜承载能力，而液相又无法及时补充，便形成裂纹。
影响因素：
- 合金成分： Cu、Si、Mg 等元素在特定含量范围内会显著增加热裂纹敏感性，形成“λ”形曲线；
- 凝固区间： 液相线与固相线温差越大，脆性温度区间越长，裂纹敏感性越高；
- 拘束度： 工件拘束越大，凝固收缩应力越大，开裂倾向越高；
- 焊缝形状： 深而窄的焊缝中心容易发生偏析，裂纹敏感。
控制方法：
- 选择合适的填充焊丝： 通过焊丝调整焊缝成分，使其远离裂纹敏感区。例如使用 Al–Si 系 4043 焊丝焊接 6xxx 系 Al–Mg–Si 合金，Si 可以提高流动性、形成低熔点共晶并促进补缩；
- 晶粒细化： 加入 Ti、Zr、Sc 等晶粒细化剂，通常通过焊丝添加，促进等轴晶形成，打乱裂纹扩展路径，并增加晶界数量以分散应力；
- 工艺优化： 减小热输入、控制焊缝形状，采用脉冲激光或激光束摆动改变凝固条件；
- 预热或预加载压应力： 降低焊接应力。
气孔形成及控制#
气孔是铝合金焊接中最常见的缺陷。
气孔类型与来源
- 氢气孔： 是主要来源，根本原因是液态铝中的氢溶解度远高于固态铝；
- 匙孔失稳气孔： 匙孔周期性塌陷，卷入金属蒸气或保护气并形成气孔，通常形状不规则、尺寸较大。它在 LBW 和 LAHW 中都很常见，尤其容易出现在部分熔透的盲孔焊接中。
LBW 中气孔的控制
热导焊模式： 熔池相对稳定，气体容易逸出，因此气孔敏感性较低。
匙孔焊模式：
- 匙孔稳定性是关键： 稳定的匙孔不易塌陷；
- 熔池动力学： 快速凝固会使气泡来不及上浮逸出；
- 合金元素： Mg、Zn 等易蒸发元素可能加剧匙孔波动。
工艺措施：
- 优化激光功率、速度和焦点位置；
- 采用脉冲激光或圆形、8 字形等光束摆动，改善匙孔稳定性和熔池流动，促进排气；
- 使用双光点技术，由前光点开孔、后光点稳定熔池；
- 采用减压焊接，即真空或低气压环境。其机理类似电子束焊，能够显著减少羽辉、稳定匙孔并促进气体逸出，大幅提高熔深和质量，但设备复杂、成本高。
对于厚板铝合金深熔焊，匙孔塌陷气孔很难完全避免。全熔透焊接时，部分气体可以从背面逸出，情况相对更好。
LAHW 中气孔的控制
LAHW 的气孔控制更复杂，因为过程同时涉及激光、电弧和填充焊丝。
- 激光／电弧功率平衡： 增大电弧电流可以扩大匙孔直径、稳定熔池并减少气孔；但电弧功率过高也可能引入更多氢；
- 保护气体： He–Ar 混合气优于纯 Ar，但成本更高；
- 电弧位置： 激光在前、电弧在后通常更有利于减少气孔，因为电弧的清理作用及其对熔池的加热能够帮助气体逸出；
- 间隙： LAHW 对间隙适应性较好。适当间隙有利于气体从根部逸出，但间隙过大会引发其他缺陷。
焊缝成形、咬边与飞溅#
咬边和未焊满
表现为焊缝边缘凹坑，或焊缝金属不足。
- 原因： 焊接速度过快、熔敷金属不足、熔池流动性差，或飞溅造成金属损失；
- 危害： 减小有效截面，形成严重应力集中并显著降低疲劳寿命。
飞溅
飞溅是熔融金属液滴从熔池中喷射出来的现象。
- 原因： 匙孔不稳定、金属蒸气压力剧烈波动，或熔滴在电弧力、等离子体流作用下发生不规则过渡；
- 危害： 损失金属、污染工件和设备，并可能诱发焊缝缺陷。
驼峰焊道／根部塌陷
这类缺陷常见于全熔透焊。熔池过大时，重力克服表面张力，使熔融金属在焊缝背面形成不规则驼峰或下垂。控制方法包括优化参数、减小熔池体积，并使用背面衬垫等。
显微组织—力学性能关系#
HAZ 软化
- 非热处理强化铝合金（5xxx 系）： HAZ 发生再结晶和回复，消除加工硬化，强度下降；
- 热处理强化铝合金（2xxx、6xxx、7xxx 系）： HAZ 中强化相溶解、粗化或不能完全再析出，导致强度大幅下降；
- 焊缝金属硬度通常也低于母材，除非采用过匹配焊丝或特殊处理。
提高接头性能的策略
焊前： 合理设计接头，并选择合适的母材和焊丝。
焊中：
- 低热输入： 减小 HAZ 宽度和软化程度，LBW 和 LAHW 本身具有优势；
- 填充焊丝： 调整焊缝成分，抑制裂纹、细化晶粒并形成有利强化相；
- 晶粒细化： 通过焊丝添加 Ti、Zr、Sc 等元素，或采用激光束摆动、超声振动等物理方法。
焊后：
- 焊后热处理： 对热处理强化铝合金进行固溶 + 时效，可部分恢复 HAZ 和焊缝金属（WM）的强度；但成本高、周期长、容易变形，且难以完全恢复至母材水平；
- 自然时效： 部分合金，例如含 Mg₂Si 相的 6xxx 系，在室温放置一段时间后，强度会有所回升。
不同系铝合金的焊接特点与性能
- 2xxx（Al–Cu、Al–Cu–Li）： 强度高，但热裂纹敏感性高。Li 可以减重增刚，却因易烧损并形成特殊相而增加焊接复杂性；
- 5xxx（Al–Mg）： 焊接性相对较好，HAZ 软化程度较低；
- 6xxx（Al–Mg–Si）： 焊接性好，但 HAZ 软化严重，常配用 4xxx 或 5xxx 系焊丝；
- 7xxx（Al–Zn–Mg–Cu）： 强度最高，但热裂纹和气孔敏感性极高，HAZ 软化也较严重，焊接难度最大。
以上。
引用#
- Bunaziv, I., Akselsen, O. M., Ren, X., Nyhus, B., & Eriksson, M. “Laser Beam and Laser-Arc Hybrid Welding of Aluminium Alloys.” Metals, 11(8), 1150 (2021). DOI: 10.3390/met11081150.
原文发布于“激光之研”，2025 年 5 月 12 日 22:12，重庆。查看原文
