采用鋁合金替代傳統(tǒng)汽車上的鋼材是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一。然而，由于鋁合金具有熱導(dǎo)率好和線膨脹系數(shù)大等特點，焊接時存在一些問題：

1）鋁合金焊接接頭軟化嚴(yán)重，強(qiáng)度系數(shù)低；

2）鋁合金極易氧化生成難熔的氧化膜（Al2O3，熔點為2060℃），需采用大功率密度的焊接工藝；

3）易產(chǎn)生氣孔；

4）線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形和焊接裂紋；

5）熱導(dǎo)率和比熱容大，熱輸入要比焊接鋼材大2～4倍。

因此，為獲得高性能的鋁合金焊接接頭，需要高能量密度、焊接熱輸入小及焊接速度高的焊接方法，其中激光焊接是極具發(fā)展前景的鋁合金焊接技術(shù)之一。

1.鋁合金激光焊接性問題及優(yōu)化措施

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密的焊接方法，應(yīng)用于鋁合金焊接時具有速度快、熔深大、變形小、工藝柔性好以及易于自動化等特點，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造及輕工電子等領(lǐng)域，但在應(yīng)用于鋁合金激光焊接時，也存在一些問題和難點。     

 1.1鋁合金對激光的吸收率很低 

鋁合金對激光有強(qiáng)烈的反射效應(yīng)，這是由于固態(tài)情況下鋁合金內(nèi)部自由電子密度很高，易與光束中的光子作用而將能量反射掉。研究表明，鋁合金對氣體CO2激光的反射率高達(dá)90%，對固體激光的反射率也接近80%。同時，鋁合金有很強(qiáng)的熱導(dǎo)率，導(dǎo)致鋁合金對激光的吸收率很低。因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣咪X合金對激光的吸收率。

優(yōu)化措施：1）通過提高激光功率密度來提高鋁合金對激光的吸收。激光功率密度增大，會使焊接熔池產(chǎn)生小孔效應(yīng)，這樣可以大大提升材料對激光的吸收率。2）采用適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理工藝。采用電解拋光、陽極氧化和噴砂等預(yù)處理工藝對比鋁合金激光的吸收率，發(fā)現(xiàn)鋁合金表面進(jìn)行陽極氧化和噴砂處理能顯著提高對激光的吸收率。3）還研究發(fā)現(xiàn)，接頭形式會影響對激光的吸收。V形坡口和方形坡口比無坡口接頭更有利于匙孔的形成，使激光功率密度增大，鋁合金對激光的吸收率也隨之增加。

 1.2 易形成氣孔 

氣孔是在鋁合金激光焊接中出現(xiàn)最多和最主要的一類缺陷。氣孔類型可分為2類。一類是由于鋁合金激光焊接在冷卻過程中氫的溶解度急劇下降，熔融狀態(tài)鋁合金的含氫量可達(dá)0.69mL/100g，冷卻凝固后的鋁合金含氫量為0.036mL/100g，過飽和的氫析出而形成氫氣孔。此外，鋁合金表面有一層氧化膜，在焊接時鋁合金表面的結(jié)晶水、空氣和保護(hù)氣中的水分直接分解為氫。這些氫氣孔在鋁合金激光焊接的快速冷卻過程中來不及逸出，而留在焊縫中形成氫氣孔。另一類是由于激光焊接過程中產(chǎn)生的匙孔不穩(wěn)定而塌陷，液態(tài)金屬來不及填充而形成的孔洞。氣孔過多將降低焊縫的致密性，減小接頭的承載能力，而且會使接頭的強(qiáng)度和塑性有不同程度的降低。減少鋁合金激光焊接中氣孔缺陷的措施有很多，如改變激光光束的行走軌跡、采用光束振蕩來對熔池進(jìn)行攪拌、增加氣孔逸出表面的可能性、采用填絲或填加合金粉末，以及采用雙光斑技術(shù)和激光復(fù)合焊接等措施都能達(dá)到減少氣孔的效果，但是都難以從根本上予以消除。

 1.3 熱裂紋傾向 

鋁合金激光焊接中產(chǎn)生熱裂紋的原因主要與其自身的特性和焊接工藝有關(guān)。鋁合金凝固時收縮率大（可達(dá)5%），焊接應(yīng)力和變形大，并且焊縫金屬在結(jié)晶時沿晶界會產(chǎn)生低熔點共晶組織，使晶界結(jié)合力減弱，在拉應(yīng)力的作用下形成熱裂紋。采用填絲或者填加合金粉末的方法可以減少熱裂紋傾向，通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)來控制加熱和冷卻的速度也可以減少熱裂紋傾向。

 1.4 焊縫組織及熱影響區(qū)軟化 

“軟化”是焊接接頭強(qiáng)度和硬度降低的現(xiàn)象。采用激光焊接鋁合金接頭時，焊接接頭的焊縫組織和熱影響區(qū)同樣存在軟化問題。大量研究表明，鋁合金焊接的軟化現(xiàn)象很難從根本上消除，但是同氣體保護(hù)焊接相比，激光焊接由于降低了熱輸入，使焊縫軟化區(qū)更窄。鋁合金激光焊接與熔化極氣體保護(hù)焊相比，激光焊接接頭的“軟化”程度較低，且抗拉強(qiáng)度隨焊接速度增大而增大。等離子體對焊接過程的影響鋁元素的電離能低，激光焊接時更容易形成金屬等離子體，等離子體引起激光的折射、偏轉(zhuǎn)，從而改變激光束的焦點位置，使焊縫熔深比減少，影響焊接接頭質(zhì)量。采用在工件表面預(yù)置粉末法來減弱等離子體在高度方向上的膨脹跳動，使等離子體在工件表面能維持跳動幅度的相對穩(wěn)定。

2. 鋁合金激光焊接技術(shù)

 2.1 鋁合金激光自熔焊接 

激光自熔焊接是指以高能量密度激光束為熱源，沖擊到母材表面，使母材自身熔化，形成焊接接頭的焊接方式。對于鋁合金激光焊接來說，鋁合金表面對激光的反射率高，焊接時需要較大的激光功率；激光光斑直徑小，對焊接工裝的精度要求高，對零件間隙容忍值低，通常要求零件間隙值在0.2mm 以下；焊接過程中加熱和冷卻速度快，焊接氣孔缺陷多，激光能量密度集中，匙孔效應(yīng)易導(dǎo)致焊縫下凹和咬邊的現(xiàn)象，因此，對焊接工藝參數(shù)有較高的要求。激光自熔焊接在鋁合金焊接中體現(xiàn)出了焊接質(zhì)量好、焊接速度快及易于自動化等優(yōu)勢，在汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛。在電動汽車行業(yè)中，動力電池殼體的密封主要采用的是鋁合金激光自熔焊接。國內(nèi)某新能源汽車企業(yè)的鋁車身中，門總成及側(cè)圍結(jié)構(gòu)件的焊接也采用的是鋁合金激光自熔焊接。

 2.2 鋁合金激光填絲焊接 

激光填絲焊接中激光仍然作為主要熱源來熔化被焊金屬，但利用自動送絲裝置向熔池內(nèi)不斷送入填充金屬來實現(xiàn)冶金連接的過程。與激光自熔焊接相比，激光填絲焊接放寬了對焊接工藝間隙精度的要求，通過填充不同成分的焊絲，改善焊縫的冶金性能，防止產(chǎn)生焊接熱裂紋和氣孔，提高了焊接過程的穩(wěn)定性和接頭力學(xué)性能。

鋁合金激光填絲焊接具有外觀質(zhì)量好、工藝間隙精度較激光自熔焊接寬松等特點，通常應(yīng)用在車身外觀面，如頂蓋與側(cè)圍之間、行李箱蓋外板上下板之間。也有一些車型為了得到更高的焊接質(zhì)量而采用激光填絲焊接來焊接鋁合金車門。

 2.3 鋁合金激光—電弧復(fù)合焊 

激光—電弧復(fù)合焊接是將激光和電弧2種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的熱源復(fù)合在一起，并共同作用于被焊工件，既充分發(fā)揮了2種熱源各自的優(yōu)點，又相互彌補(bǔ)了各自的不足。在鋁合金激光—電弧復(fù)合焊接中，電弧可以引導(dǎo)激光熱源，提高鋁合金對激光的吸收能力以及焊接過程中的能量利用率，并且焊縫表面成形性比激光自熔焊接好。

此外，電弧的引入能大大降低對焊接工件的裝卡精度，同時電弧對激光焊的等離子有稀釋作用，可以降低等離子體對激光的屏蔽作用。激光對電弧的穩(wěn)定起到重要作用，使電弧在高速焊接時能穩(wěn)定地作用在接頭上，可以改善接頭焊接質(zhì)量，提高焊接速度。

3.鋁合金激光焊接在汽車行業(yè)的應(yīng)用

 激光焊接在汽車行業(yè)的應(yīng)用有很多優(yōu)點：

1）焊接速度快，提高生產(chǎn)節(jié)拍，焊接速度可達(dá)到6m/min，具有白車身其他連接方式（如點焊、弧焊、鉚接）所無法比擬的優(yōu)勢；

2）對車身結(jié)構(gòu)約束小，可適用于不同的焊接結(jié)構(gòu)（搭接、角接、T型接頭、對接），并且是單面焊接，光束可達(dá)到的地方就可以進(jìn)行焊接，設(shè)計更加靈活；

3）激光焊接邊要求低，焊接邊在6～8mm 即可進(jìn)行焊接，相比點焊焊接邊要求（16mm）減小一半，可起到輕量化的作用；

4）車頂、后蓋的激光焊接結(jié)構(gòu)可減輕車身質(zhì)量，且無需涂密封膠、無需外飾板，節(jié)省了車身成本；

5）激光焊接焊縫整體光滑整齊，外觀性好等。

由于激光焊接的優(yōu)勢很多，在汽車行業(yè)中得到廣泛關(guān)注，并得到眾多汽車企業(yè)的青睞，在歐系車型（如大眾汽車、寶馬、奧迪、奔馳、標(biāo)致等）和美系車型（如別克、福特、凱迪拉克、雪佛萊等）的不同部位（車頂、門總成、行李箱蓋外板、側(cè)圍結(jié)構(gòu)件及流水槽焊接等）均有采用，并作為高質(zhì)量白車身的標(biāo)志之一。但是激光焊接由于一次性投入成本高、鈑金精度和工裝夾具精度要求高，在國內(nèi)自主品牌中的應(yīng)用程度不高。

目前，鋁合金激光焊接在鋁合金車身中已有量產(chǎn)應(yīng)用。鋁制車身中，頂蓋與側(cè)圍焊接采用鋁合金激光焊接的有奧迪TT、A6/A8、凱迪拉克旗艦車型CT6；行李箱蓋板采用鋁合金激光焊接的有凱迪拉克CT6、奧迪A6/A8/Q5、寶馬5系/7系、奔馳S系/C系等車型；車門采用鋁合金激光焊接的有奧迪 A6/A8、奔馳S系/C系、寶馬5系/7系等。國內(nèi)全鋁車身（蔚來汽車）中也在蓋和側(cè)圍以及車門等部位大量應(yīng)用了鋁合金激光焊接。

4. 結(jié)論

隨著汽車技術(shù)、行業(yè)加工能力和加工質(zhì)量的不斷進(jìn)步，使用激光焊接的成本將大大降低；同時隨著汽車輕量化的發(fā)展，鋁合金在汽車車身應(yīng)用的增多，激光焊接作為解決鋁合金焊接質(zhì)量問題的重要連接方式之一，將在汽車行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用。

不斷改善鋁合金焊接過程中的穩(wěn)定性和焊縫成形質(zhì)量、提高焊接效率，是企業(yè)追求的目標(biāo)。鋁合金填絲焊接與鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接能夠很好地解決因鋁合金物理化學(xué)性能所帶來的缺陷，必將推動鋁合金激光焊接在新能源汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用，具有巨大的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。

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