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。本文将深入解析铝合金激光焊接的核心技术及复合焊的创新应用。
一、铝合金特性及其对焊接的影响
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
铝合金特性对焊接的影响
1、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%。
2、吸收率会随温度升高而增加，一旦形成匙孔，匙孔内的多次反射会使吸收率迅速提高至80-90%。
3、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。这是铝合金焊接气孔的主要来源。
二、铝合金分类
1、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。
2、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。
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。
三、铝合金激光焊
1、激光-材料相互作用模式
热导焊模式：功率密度<10⁵ W/cm²，仅表层熔化，适用于薄板焊接，但熔深受限。
匙孔焊模式：功率密度>10⁶ W/cm²，形成稳定匙孔，实现深熔焊接（深宽比可达10:1），但对参数稳定性要求极高。
2、铝合金激光焊中气孔的控制
优化激光参数，例如功率、速度、焦点
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。
3、典型应用场景
航空航天：飞机蒙皮、发动机燃烧室结构焊接，减重18%的同时提升强度。
新能源汽车：电池托盘、车身框架焊接，实现轻量化与密封性统一。
四、激光-电弧复合焊
1、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。
2、激光-电弧复合焊类型
（1）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。
（2）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。
（3）同轴复合焊：激光与电弧同轴输出，空间协同性最佳，但设备复杂度高。
3、激光-电弧复合焊中气孔的控制
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。
气体保护：外层采用He+Ar混合气（He比例30-50%），内层纯Ar，降低氢含量。
填充焊丝优化：选择ER4043（Al-Si）焊丝，凝固收缩率低，减少微裂纹和气孔倾向。
4、工业化应用案例
轨道交通：德国西门子高铁车体采用LAHW焊接，生产节拍缩短至3分钟/节。
船舶制造：铝合金三明治结构焊接，接头强度达母材90%，焊后变形<0.5 mm。
