高强超轻铝锂合金的双光束激光焊接

（浙江师范大学，浙江 金华 321004）

1、双光束激光焊接原理

双光束激光焊接是激光焊接的一种特殊加工方法，因其可以扩大匙孔的开口、提高焊接过程稳定性的优势，已经成为激光焊接的新的发展方向。双光束激光焊接原理一般可分为三种机制。

第一种机制是一束光进行深熔焊接，另一束光散焦或功率较小，作为热处理源。这种方式可用以焊接裂纹敏感性材料，以提高焊缝的韧性，如高碳钢，合金钢等。

第二种机制是两束光在同一熔池内产生两个独立的匙孔，改变熔池流动方式，防止咬边、焊道凸起等缺陷的产生。这种方式可以改善焊缝成形。

第三中机制是两束光在熔池中产生一个共同的匙孔，匙孔尺寸变大，不易闭合，焊接过程更加稳定，气体更易排出。

2.双光束激光焊接铝锂合金的优越性

在采用一般的单独激光焊接铝合金时，由于铝合金容易产生气孔、热裂纹和因钥孔塌陷而产生的小孔、飞溅等缺陷现象，这是激光焊接铝合金时最常见的焊接缺陷。与一般的单独激光焊接铝合金相比，双光束激光焊有相对较宽的焊宽和较低的焊缝深度比，这能显著的提高钥孔的稳定性和可以明显的降低气孔敏感性。在双光束激光焊接铝合金中由于第二束激光是直接照射熔池的，这就改善了工件对激光能量的吸收与利用。在加大焊接熔深、提高焊接能力的同时，双光束激光焊接降低了激光器的功率输出，从而节约焊接成本。另外由于双光束激光焊接的第二激光增加了溶池的宽度和存在时间，使熔池流动更加稳定，气化的低熔点金属有较长时间溢出，增加钥孔稳定性，从而减少了飞溅；解决了铝锂合金在焊接后冷却过程中由于铝合金熔体吸收的氢气来不及析出，易在焊缝中形成气孔的问题，有效的降低了气孔形成的机率，提高了焊接的质量和性能。

3.双光束激光焊接铝锂合金的工艺参数

由于双光束激光焊接的两激光束间有相互作用，其能量转换机制比一般激光深熔焊更加复杂，在已知焊接材料及其厚度、接头方式、聚焦光斑直径、保护气及流量的条件下，影响焊接质量的参数主要是激光功率、焊接速度、焦点间距和离焦量。

3.1 激光功率

激光功率是激光焊接工艺参数中影响最大的一个。在激光焊接铝锂合金的过程中，随着激光功率的增加，焊缝正面和背面熔宽皆呈现上升的趋势，熔深逐渐增大。但激光功率不能超过一定的临界值，例如当功率已超过2500瓦时，随着激光功率的继续增大，焊缝正面熔宽会继续增大，焊缝背面熔宽反而减小，造成熔融金属向下流动，使得焊缝表面下凹产生塌陷。另外大量实验表明激光功率与焊缝中气孔数量并无直接关系。

3.2 焊接速度

焊接速度对焊缝成形的影响仅次于激光功率。一般来说，在其他参数不变的情况下，随着焊接速度的增大，分布在单位面积上的激光能量就会减少，从而导致熔深变浅，焊缝的正面和背面熔宽亦逐渐减小。但从防止焊接缺陷方面出发，焊接速度较小时，激光光束停留在试板表面的时间较长，作用在某点上的激光能量较多，因此熔深较大。此外，熔池中熔融金属的凝固时间变长，溶解在其中的气体，尤其是氢气会有更多的机会逸出，减少冶金气孔的产生。因此，当焊接速度较小时，焊接气孔的数量会减少，并且焊后接头的力学性能会比较好。

3.3 焦斑间距

两焦点之间的距离称为焦斑间距，在成一定角度的双光束焊接时，随着双光束焦斑间距的不同，在深熔焊时其形成小孔的机理也不同，当两焦斑间距过近时，两束光形成的小孔会在板材加工面下相交，形成两个交叉的小孔；随着两焦斑间距的增大，两束光相互作用形成一个小孔，上端开口增大有利于气体逸出，稳定焊接过程；当两焦斑间距继续增大时，两束光将形成两个独立的小孔，熔深变浅，所以在双光束焊接中焦斑间距对焊缝成型、熔深和熔宽都有很大的影响。

3.4 离焦量

离焦量不仅影响焊件表面激光光斑大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊接熔深、焊缝宽度和焊缝横截面形状都有较大的影响。当离焦量很大时，熔深很小，属于传热焊；当离焦量减小到某一值后，熔深发生跳跃增加，标志着小孔已产生。实验结果表明：最佳离焦量是焦点位于负向距板材上表明1/3处。当离焦量正向或负向增大时，小孔的稳定性减弱，并且波动变化更为频繁、剧烈，从而导致焊缝中产生更多的工艺气孔。

4.铝锂合金T型接头双光束激光焊接工藝

4.1 影响焊接热裂纹因素

在双光束激光焊接的过程中随着送丝速度的增加，裂纹数量显著减少。送丝量越大，熔池中填充金属越多，熔池凝固结晶时将生成更多的铝硅共晶对裂纹的愈合能力越强。但是当送丝速度过大时，焊缝成形不良，且仍不能完全避免裂纹产生。

4.2 接头的力学性能

熔合区是铝锂合金T型接头双光束激光焊接接头最薄弱部位。在环向拉伸实验时，接头环向拉伸强度385～415MPa，断裂起始于焊趾，而后裂纹沿熔合线扩展，最终断裂于母材。

4.3 离焦量对接头成形的影响

离焦量是激光焊接的一个重要参量，即焊接时光束焦点距离焊件上表面的距离，其中焦点位于焊件表面以上为正离焦，位于表面以下为负值。当离焦量为非零值时，作用于焊件表面的光斑面积变大，使得表面熔化量增大，因此焊缝表面熔宽增加；同时，光斑面积变大引起激光功率密度降低，导致光束穿透能力下降，因此焊缝背面熔宽和熔深减少，其规律和单光点激光焊接一致。

4.4 光点间距对接头成形的影响

光点间距对焊缝成形影响很大，随着光点间距的增加，激光对材料的熔透能力明显减弱，焊缝熔宽增加而背宽比减小，但焊缝成形质量得到改善。当两光点完全分离时，由于两光束对熔池的共同作用急剧降低，不能获得熔透的焊缝。当光点间距大于光斑直径即两光斑完全分离时，焊缝表面平整，咬边、飞溅等缺陷明显减少。但光点间距并非越大越好，当光点间距增大到一定程度，由于两光束对熔池的共同作用减弱，使得焊缝表面质量下降，同时出现较大气孔的趋势加剧。

5.双光束激光焊接铝锂合金存在的问题

由于双光束激光焊接的显著的技术优势，近年来铝锂合金的激光焊接方面取得了巨大的发展。但是，由于铝锂合金除了具有常规铝合金所具有的物理和化学特性外，还具有更高的表面活性及更低的电离能。因此，铝锂合金的双光束激光焊接也就存在更多的需要进一步深入研究的问题。首先，铝锂合金激光同样会遇到铝合金激光焊接的普遍问题：深熔焊接稳定性差。铝锂合金激光焊接过程的不稳定性可分为三种情况：①过渡区不稳定；②深熔焊接过程不稳定；③在高功率密度时，可能会出现光致等离子体对激光的屏蔽，导致深熔焊接过程中断。双光束激光焊接作为一种熔焊方法，由于铝锂合金对激光的高反射性和铝锂合金本身的物理化学性能，其焊接也存在一般熔焊工艺方法会遇到的问题，主要是气孔问题。对于焊缝气孔，除了氢气孔以外，还有工艺气孔，即不稳定的小孔在焊接过程中突然闭合，在焊缝中形成的气孔；以及由于小孔中的金属蒸汽向外喷发时将熔化的金属带出熔池而在焊缝中留下的空洞。

6.总结

双光束激光焊接是一种激光焊接的新型技术，其应用范围和焊接能力还并没有真正被人们完全认识，还有待于进一步研究和开发。相信不久的将来，双光束激光焊接技术不仅会在更多的加工领域出现，而且还会成为这些领域的主流加工技术之一。

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