新型焊接方法--鋁鋰合金的激光復合焊

現代飛機結構材料的發展趨勢是：大力發展高比強、高比模、抗腐蝕、耐高、低溫的多功能結構材料，實現結構減重；提高材料與結構制備技術，降低制造成本和維護成本�，F代機體材料仍以鋁合金為主，鋼用量趨于減少，鈦合金用量顯著增加。航空發動機主要材料有鋁合金、鈦合金、高溫合金以及各類高溫復合材料等。鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發展最為迅速的一個領域。

鋁鋰合金簡介

工業生產鋁鋰合金指含Li量1％~3％，以Li作為主要強化元素的鋁合金。合金中加入Li的目的是增加合金的彈性模量，降低合金的密度（密度比一般鋁合金低5％~12％，彈性模量高5％~8％）。鋁鋰合金具有低密度、高比強度、高比剛度、優良的低溫性能、良好的耐腐蝕性能和卓越的超塑成型性能；其強度、斷裂韌性、屈服強度、疲勞性能都是隨著溫度的降低而提高；它有良好的超塑性，可以制成形狀復雜、難以成形的零件，減少勞動強度和減輕結構的重量。用其取代常規的鋁合金可使構件質量減輕15%，剛度提高15%~20%，被認為是航空航天工業中的理想結構材料。在該領域，鋁鋰合金己在許多構件上取代了常規高強鋁合金。

從空客A380選材的分布來看（圖1），鋁合金占的比重最大，達機體結構重量的61%，因此要實現性能改進，必須開發創新的鋁合金材料和工藝技術，具體是提高強度和損傷容限，加強穩定性并提高抗腐蝕能力�？湛虯380使用了2099、2199、2196等鋁鋰合金。用于A380的地板梁，如橫梁、座椅滑軌、座艙以及應急艙地板結構、電子設備安裝架及角形物，可減重幾百公斤。俄羅斯下一代窄體客機MS-21將采用復合材料機翼和尾翼，而機身將由先進合金如鋁鋰合金制成。

圖1  空客A380結構件的材料分配

激光復合焊技術

隨著激光焊接技術在工業中的成熟應用，激光焊接技術的不足之處也日漸顯露。首先，激光焊接設備投資大，電效率低（一般低于10％，當前光纖激光器的出現激光的電效率才提高到30％左右）；其次是對工件的焊接裝配精度要求高，如對接間隙、錯邊量要求小于0.1mm或板厚的10％，這不僅需要專門的夾具和加工，也給實際應用帶來很大的困難；再者大功率激光焊接過程的等離子體對激光的吸收、反射作用，降低焊接穩定性和激光能量的利用率，且高焊接速度導致焊接接頭快速凝固，易引起氣孔、咬邊缺陷，焊縫組織脆性，甚至出現焊接裂紋；此外對于高反射率材料（鋁合金、銅合金）難以實現激光焊接。針對這些問題，國內外學者一直在致力于提高激光焊接適應性的研究，目前最主要的途徑是采用激光－電弧復合焊接的方法。

激光焊與另一種焊接方法相結合的焊接技術稱為“激光復合焊接（LASER Hybrid Welding）”，其中，激光束和電弧同時作用于焊接區，互相影響和作用稱為“激光-電弧復合焊接”。激光焊接與電弧焊接是兩種不同的焊接工藝，通過激光與電弧的相互影響，可克服每一種方法自身的不足，進而產生良好的復合效應，從而獲得優良的綜合性能，在改善焊接質量和生產工藝性的同時，提高效率/成本比。另外激光復合焊接工藝還具有更好的間隙容忍性、高的焊接速度以及優秀的機械性能，因而對航空制造業來說具有極大的吸引力和經濟效益。

在德國、日本等發達國家，激光-電弧復合焊接技術廣泛適用于從薄板小變形到厚板的高速焊接、適用于鋁合金及異種材料的焊接。激光-電弧復合焊接充分發揮了激光和電弧焊接的優勢，有效地提高了焊接效率，縮短了焊接工序周期；特別在鋁合金等難焊接金屬中，能在不同程度、不同方面減少或消除焊接缺陷。由于經濟性和技術實用性的突出優勢，將在航空航天制造業中廣泛應用。

鋁鋰合金的激光復合焊接

圖2是激光-等離子復合焊接5A90鋁鋰合金的現場照片，圖3則是激光-MIG復合焊接5A90鋁鋰合金。

圖2  激光-等離子復合焊接5A90鋁鋰合金

圖3  激光-MIG復合焊接5A90鋁鋰合金 

采用激光-電弧復合焊焊接鋁鋰合金，能夠提高熔深和焊接速度，放寬對接焊縫的間隙限制，增加實際焊接中工件的裝配裕度。由于電弧對激光的輔助作用，還可以增強對鋁這樣的反光率高的金屬的焊接能力，提高可焊性及焊接穩定性。圖4 是5A90鋁鋰合金激光-MIG電弧復合焊接焊縫形貌。

圖4  5A90鋁鋰合金激光-MIG電弧復合焊接焊縫形貌

采用YAG激光-等離子電弧復合焊焊接鋁鋰合金可使焊接速度提高，焊接過程穩定，焊接質量提升，更進一步講，復合導致了效率增加以及焊接適應性的增強。