今天学习铝合金激光焊及激光-电弧复合焊，包括铝合金基本特性、焊接方法、裂纹、气孔，以及组织性能等。 应用背景 铝合金 因其高强度重量比、优良的耐腐蚀性、良好的导热导电性和可回收性，在航空航天、汽车制造、轨道交通、船舶、电子产品等领域得到了广泛应用。
汽车工业： 轻量化是汽车发展的趋势，铝合金车身、底盘部件、电池包壳体等能有效降低车重，提高燃油经济性或电动汽车的续航里程。航空航天： 对材料性能要求极高，铝合金（尤其是2xxx、7xxx系）作为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系铝合金因其优异的耐海水腐蚀性能和良好的焊接性，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、壳体等的理想材料。然而，铝合金的焊接极有挑战性。传统的熔化极气体保护焊 (GMAW/MIG)虽然成熟，但在焊接厚板铝合金时，需要开坡口、多道焊，热输入大，易产生变形和较宽的软化区。搅拌摩擦焊 (FSW)是一种固相连接技术，能有效避免熔焊的许多问题，但设备成本高，同时对复杂曲线焊缝适应性较差，且存在轴肩压痕、匙孔等问题。
激光焊(LBW) 以其能量密度高、焊接速度快、热输入小、变形小等优点备受关注。激光-电弧复合焊接(LAHW) 则结合了激光和电弧的优势，能够克服单一热源的不足，提高焊接效率和质量。
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)： 铝的导热率远高于钢，随温度升高而降低。这意味着焊接时热量迅速散失，需要更高的线能量或功率密度才能熔化。
不同纯金属随温度变化的热导率：铜(Copper)、铝(Aluminium)、液态铝(Liquid Al)、铁(Iron)和氧化铝(Al₂O₃)的热导率 熔点：铝熔点660°C ，但其表面Al₂O₃熔点高达2050°C 。因此，焊前必须去除氧化膜，否则氧化膜会进入熔池形成夹杂，影响熔透。
密度、比热容、表面张力： 这些参数在熔点附近有显著变化。铝的表面张力较低，熔池流动性好，但易产生焊缝塌陷、驼峰等缺陷。
铝的热物理性能：铝的比热容、表面张力和密度随温度变化的趋势 热膨胀系数: 铝的热膨胀系数约为钢的2倍，凝固收缩大，易产生焊接变形和残余应力。
这些特性决定了铝合金焊接工艺参数选择。例如，高热导率 要求激光功率足够高，焦点要准确；氧化膜问题 需要在焊前严格清理和焊接过程中的良好保护；高膨胀系数 则意味着需要考虑焊后变形控制和应力消除。
吸收率(Absorptivity) 铝对激光的吸收率受波长影响很大。
对长波长的CO₂激光（10.6μm）吸收率很低，室温下<10%；而对短波长的光纤/碟片激光（约1μm）吸收率稍高，室温下约20-30%。近年来兴起的蓝光激光（450nm）对铝的吸收率可达60-70%。
不同金属材料的吸收系数随激光波长的变化：(a) 波长0.1-20μm；(b) 波长0.3-12μm 需要注意的是，吸收率会随温度升高而增加，一旦形成匙孔(keyhole) ，匙孔内的多次反射会使吸收率 迅速提高至80-90% 。
这解释了为什么早期用CO₂激光焊铝很困难，而现在光纤激光成为主流。同时，蓝光激光 在铜、铝等高反材料焊接方面展现出巨大潜力，尤其在电池极耳焊接等薄件领域。
氢气溶解度(Hydrogen solubility) 氢在液态铝中的溶解度远大于固态铝，温度越高溶解度越大。凝固过程中，溶解度会急剧下降，过饱和的氢析出形成气孔。
铝在1个标准大气压下焊接热循环过程中的氢溶解度 这是铝合金焊接气孔的主要来源。
控制氢源 （母材、填充焊丝、保护气、环境中水汽）和促进氢气逸出 是防止气孔的关键。
铝合金分类 铝合金分类及合金元素 加工硬化型(不可热处理强化)： 1xxx (纯铝)，3xxx (Al-Mn)，5xxx (Al-Mg)。通过冷变形 提高强度，焊接时HAZ会发生回复和再结晶，导致强度下降。热处理强化型： 2xxx (Al-Cu)，4xxx (Al-Si, 主要作焊丝)，6xxx (Al-Mg-Si)，7xxx (Al-Zn-Mg-Cu)。通过固溶处理+时效析出强化相 提高强度，在焊接时HAZ中的强化相会溶解或粗化，导致强度大幅下降。填充焊丝： 主要作用是调整焊缝成分，降低裂纹敏感性，提高强度，常用的如ER4043 (Al-5Si)，ER5356 (Al-5Mg)。
总结一下： 5xxx系通常焊接性较好，但Mg含量高时易蒸发；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 MIG/TIG： 传统电弧焊，成本低，但热输入大，效率低，易变形。激光焊LBW： 速度快，热输入小，但对间隙敏感，可能存在气孔、裂纹问题。激光-电弧复合焊LAHW： 结合LBW和电弧优势，有望提高效率和质量，改善间隙桥接能力。搅拌摩擦焊FSW： 固相连接，无熔化，接头性能好，但设备和工艺有局限性。激光源比较 CO₂激光器： 波长10.6µm，铝吸收率低，逐渐被淘汰。Nd:YAG激光器： 波长1.064µm，电光效率低，维护成本高。光纤激光器： 波长1.03-1.07µm，电光效率高，约30-40%，光束质量好（BPP小），柔性光纤传输，是目前主流。铝合金焊接激光源特性 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，意味着可以聚焦到更小的光斑，或者在同样光斑尺寸下有更大的焦深，这对于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(<10⁵ W/cm²)，材料表面熔化，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。
热导激光焊示意图 匙孔焊(Keyhole Mode): 激光功率密度较高(>10⁶ W/cm²)，材料表面迅速汽化，产生金属蒸气，蒸气的反冲压力排开熔融金属，形成一个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： 蒸气反冲压力与熔池的表面张力、静压力、流体动力达到动态平衡。熔池流动： 受Marangoni效应、蒸气反冲压力、匙孔壁形状等影响，非常复杂。熔池流动会直接影响热量和质量传输、气泡行为、焊缝成形等。中厚板匙孔激光焊示意图 薄板匙孔激光焊示意图 光束形状： 以高斯光束最常见，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、控制熔池形态。
等离子体/金属蒸气羽辉及其影响 激光-材料相互作用热导焊(Conduction Mode): 激光功率密度较低(<10⁵ W/cm²)，材料表面熔化，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。*热导激光焊示意图匙孔焊(Keyhole Mode): 激光功率密度较高(>10⁶ W/cm²)，材料表面迅速汽化，产生金属蒸气，蒸气的反冲压力排开熔融金属，形成一个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： 蒸气反冲压力与熔池的表面张力、静压力、流体动力达到动态平衡。熔池流动： 受Marangoni效应、蒸气反冲压力、匙孔壁形状等影响，非常复杂。熔池流动会直接影响热量和质量传输、气泡行为、焊缝成形等。*中厚板匙孔激光焊示意图*薄板匙孔激光焊示意图光束形状： 以高斯光束最常见，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、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形成羽辉。等离子体屏蔽： 羽辉会吸收和散射入射激光，降低激光的有效能量，影响熔深和匙孔稳定性。尤其对于CO₂激光，问题更严重；对于光纤激光，由于波长短，等离子体吸收较弱，但金属蒸气颗粒的散射仍存在。焦点漂移： 等离子体的折射效应可能导致激光焦点位置偏移。如何控制： 通过侧吹辅助气体 （Ar, He或其混合气）吹散羽辉。He气由于电离能高、密度小，抑制等离子体效果好，但成本高；Ar气常用，但可能形成较浓的金属蒸气。辅助气体的种类、流量、喷嘴角度和距离对羽辉的控制至关重要，对于大功率激光焊接，羽辉控制是保证焊接质量和稳定性的关键。*30kW光纤激光焊接厚铝合金过程中等离子体/焊缝羽辉尺寸及熔深
等离子体屏蔽： 羽辉会吸收和散射入射激光，降低激光的有效能量，影响熔深和匙孔稳定性。尤其对于CO₂激光，问题更严重；对于光纤激光，由于波长短，等离子体吸收较弱，但金属蒸气颗粒的散射仍存在。
焦点漂移： 等离子体的折射效应可能导致激光焦点位置偏移。
如何控制： 通过侧吹辅助气体 （Ar, He或其混合气）吹散羽辉。He气由于电离能高、密度小，抑制等离子体效果好，但成本高；Ar气常用，但可能形成较浓的金属蒸气。
辅助气体的种类、流量、喷嘴角度和距离对羽辉的控制至关重要，对于大功率激光焊接，羽辉控制是保证焊接质量和稳定性的关键。
30kW光纤激光焊接厚铝合金过程中等离子体/焊缝羽辉尺寸及熔深 激光-电弧复合焊（LAHW） 激光-电弧复合焊旨在结合激光和电弧的优点，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，稳定电弧。电弧 提供额外的热量，熔化填充焊丝，增加熔宽，桥接间隙，并对铝表面有阴极清理作用（取决于电弧极性）。优势： 更高的焊接速度、更大的熔深、更好的间隙桥接能力、更灵活的冶金控制、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。
电弧-激光旁轴复合焊：电弧在前/激光在后 激光束与电弧源之间距离：a) 拉；b)推 激光在前/电弧在后： 激光形成匙孔，电弧负责填充和修饰焊缝形状。这是更常见的组合，有利于提高间隙桥接能力和焊缝成形。
电弧-激光旁轴复合焊：激光在前/电弧在后 激光束与电弧源之间距离：a) 拉-复合；b)拉-组合；c)推-复合 激光与电弧的距离： 耦合焊距离近，如2-5mm，激光等离子体与电弧等离子体相互作用，产生协同效应。
组合焊： 距离远，如>8mm，相互作用弱，可视为两个独立热源先后作用。
电弧类型： MIG最常用，因其自带填丝。TIG也可用于需要精密控制的场合。
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可以为电弧提供导电通道，稳定电弧，降低电弧电压，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，激光和电弧可以相互促进，提高能量利用率和熔深。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 （温度梯度G与凝固速率R之比）决定了凝固形态。高G/R→平面晶/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和减小二次枝晶臂间距，从而提高性能。 6061-T6的典型焊缝显微组织：(a)熔合区中心(FZ)的等轴枝晶；(b)部分熔化区(PMZ)；(c)热影响区(HAZ)及析出相；(d)从母材外延生长的柱状枝晶 (a)铝合金的焊缝结构；(b)适用于铝合金的凝固模式图 热裂纹 机理： 在凝固末期，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了液膜的承载能力，且液相无法及时补充，便形成裂纹。
影响因素 合金成分： 某些合金元素（如Cu, Si, Mg）在特定含量范围内会显著增大热裂纹敏感性，形成“λ”形曲线。凝固区间： 宽的凝固区间（液固相线温差大）意味着更长的脆性温度区间，裂纹敏感性增加。拘束度： 焊接时工件的拘束度越大，产生的收缩应力越大，裂纹倾向越大。焊缝形状： 深而窄的焊缝中心易产生偏析，裂纹敏感。(a)基于合金元素和溶质浓度影响的冶金裂纹敏感性；(b)影响裂纹发生的因素；(c)基于临界应变的机械裂纹敏感性；(d)糊状区典型的横向应力和应变分布 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。如用Al-Si系4043焊丝焊接6xxx系Al-Mg-Si合金，Si能提高流动性，形成低熔共晶，利于补缩。晶粒细化： 加入晶粒细化剂（如Ti, Zr, Sc，通常通过焊丝添加），促进等轴晶形成，打乱裂纹扩展路径，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技术改变凝固条件。预热或预加载压应力： 减小焊接应力。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： 主要原因，如前所述，液态铝中氢溶解度远大于固态铝。匙孔失稳导致的气孔： 匙孔周期性塌陷，卷入金属蒸气或保护气形成气孔，通常形状不规则，尺寸较大。这种气孔在LBW和LAHW中都很常见，尤其是在部分熔透（盲孔）焊接时。匙孔波动导致气孔 LBW中气孔的控制 热导焊模式： 气孔敏感性较低，因为熔池相对稳定，气体容易逸出。
匙孔焊模式 匙孔稳定性： 关键！稳定的匙孔不易塌陷。熔池动力学： 快速凝固可能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 优化激光参数，例如功率、速度、焦点等。 采用脉冲激光或光束摆动(如圆形、8字形扫描)，改善匙孔稳定性和熔池流动，促进排气。 采用双光点技术，前光点开孔，后光点稳定熔池。 减压焊接(真空或低气压)：类似电子束焊，显著减少羽辉，稳定匙孔，促进气体逸出，能大幅提高熔深和质量，但设备复杂昂贵。 对于厚板铝合金的深熔焊，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，情况稍好。
LAHW中气孔的控制 LAHW中气孔的控制更复杂，因为涉及激光和电弧两个热源，以及填充焊丝。
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，减少气孔。但过高的电弧功率也可能引入更多氢。
保护气体： He-Ar混合气优于纯Ar，但成本高。
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和对熔池的加热有助于气体逸出。
间隙： LAHW对间隙的适应性更好，适当的间隙有利于气体从根部逸出，但过大间隙会导致其他缺陷。
LBW/LAHW中的气孔抑制机制 焊缝成形、咬边与飞溅 全熔透激光匙孔焊接过程中外部缺陷示意图 咬边和未焊满 焊缝边缘的凹坑（咬边）或焊缝金属不足（未焊满）。
原因： 焊接速度过快，熔敷金属不足，熔池流动性差，飞溅导致金属损失等。
危害：减小有效截面，造成严重应力集中，显著降低疲劳寿命。
飞溅 熔融金属液滴从熔池中喷射出来。
原因： 匙孔不稳定，金属蒸气压力剧烈波动，熔滴在电弧力或等离子体流作用下不规则过渡等。
危害：损失金属，污染工件和设备，可能导致焊缝缺陷。
驼峰焊道/根部塌陷 常见于全熔透焊。
原因： 熔池过大，重力作用克服表面张力，导致熔融金属在焊缝背面形成不规则的驼峰或下垂。
控制：优化参数，减小熔池体积，采用背面衬垫 等方法。
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，强度降低。
热处理强化铝合金(2xxx, 6xxx, 7xxx系)： HAZ中的强化相发生溶解、粗化或不完全再析出，导致强度大幅下降。
焊缝金属的硬度通常也低于母材，除非采用过匹配的焊丝或特殊处理。
铝合金焊接接头硬度分布 提高接头性能的策略 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，强度降低。热处理强化铝合金(2xxx, 6xxx, 7xxx系)： HAZ中的强化相发生溶解、粗化或不完全再析出，导致强度大幅下降。焊缝金属的硬度通常也低于母材，除非采用过匹配的焊丝或特殊处理。*铝合金焊接接头硬度分布提高接头性能的策略焊前： 合理的接头设计，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，形成有利的强化相。晶粒细化： 通过焊丝添加Ti, Zr, Sc等元素，或采用激光束摆动、超声振动等物理手段。焊后焊后热处理： 对热处理强化铝合金，进行固溶+时效处理，可以部分恢复HAZ和WM的强度。但成本高，周期长，易变形，且难以完全恢复到母材水平。自然时效： 部分合金（如含Mg₂Si相的6xxx系）在室温下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的加入能减重增刚，但使焊接更复杂，因Li易烧损，形成特殊相。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。
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，形成有利的强化相。晶粒细化： 通过焊丝添加Ti, Zr, Sc等元素，或采用激光束摆动、超声振动等物理手段。焊后 焊后热处理： 对热处理强化铝合金，进行固溶+时效处理，可以部分恢复HAZ和WM的强度。但成本高，周期长，易变形，且难以完全恢复到母材水平。自然时效： 部分合金（如含Mg₂Si相的6xxx系）在室温下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的加入能减重增刚，但使焊接更复杂，因Li易烧损，形成特殊相。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。
Bunaziv I, Akselsen OM, Ren X, Nyhus B, Eriksson M. Laser Beam and Laser-Arc Hybrid Welding of Aluminium Alloys. Metals. 2021; 11(8):1150. https://doi.org/10.3390/met11081150（在新标签页打开） 
