铝锂合金的激光复合焊（一）

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 在航空航天制造业中，新材料的应用越来越多，也推动了与之对应的新型焊接方法的发展，铝锂合金的激光复合焊就是其中的一种。

   现代飞机结构材料的发展趋势是：大力发展高比强、高比模、抗腐蚀、耐高、低温的多功能结构材料，实现结构减重；提高材料与结构制备技术，降低制造成本和维护成本。现代机体材料仍以铝合金为主，钢用量趋于减少，钛合金用量显著增加。航空发动机主要材料有铝合金、钛合金、高温合金以及各类高温复合材料等。铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。

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铝锂合金简介

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   工业生产铝锂合金指含Li量1％~3％，以Li作为主要强化元素的铝合金。合金中加入Li的目的是增加合金的弹性模量，降低合金的密度（密度比一般铝合金低5％~12％，弹性模量高5％~8％）。铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成型性能；其强度、断裂韧性、屈服强度、疲劳性能都是随着温度的降低而提高；它有良好的超塑性，可以制成形状复杂、难以成形的零件，减少劳动强度和减轻结构的重量。用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%~20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在该领域，铝锂合金己在许多构件上取代了常规高强铝合金。

   从空客A380选材的分布来看（图1），铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。空客A380使用了2099、2199、2196等铝锂合金。用于A380的地板梁，如横梁、座椅滑轨、座舱以及应急舱地板结构、电子设备安装架及角形物，可减重几百公斤。俄罗斯下一代窄体客机MS-21将采用复合材料机翼和尾翼，而机身将由先进合金如铝锂合金制成。

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图1  空客A380结构件的材料分配

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激光复合焊技术

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   随着激光焊接技术在工业中的成熟应用，激光焊接技术的不足之处也日渐显露。首先，激光焊接设备投资大，电效率低（一般低于10％，当前光纤激光器的出现激光的电效率才提高到30％左右）；其次是对工件的焊接装配精度要求高，如对接间隙、错边量要求小于0.1mm或板厚的10％，这不仅需要专门的夹具和加工，也给实际应用带来很大的困难；再者大功率激光焊接过程的等离子体对激光的吸收、反射作用，降低焊接稳定性和激光能量的利用率，且高焊接速度导致焊接接头快速凝固，易引起气孔、咬边缺陷，焊缝组织脆性，甚至出现焊接裂纹；此外对于高反射率材料（铝合金、铜合金）难以实现激光焊接。针对这些问题，国内外学者一直在致力于提高激光焊接适应性的研究，目前最主要的途径是采用激光－电弧复合焊接的方法。

   激光焊与另一种焊接方法相结合的焊接技术称为“激光复合焊接（LASER Hybrid Welding）”，其中，激光束和电弧同时作用于焊接区，互相影响和作用称为“激光-电弧复合焊接”。激光焊接与电弧焊接是两种不同的焊接工艺，通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应，从而获得优良的综合性能，在改善焊接质量和生产工艺性的同时，提高效率/成本比。另外激光复合焊接工艺还具有更好的间隙容忍性、高的焊接速度以及优秀的机械性能，因而对航空制造业来说具有极大的吸引力和经济效益。

 

   在德国、日本等发达国家，激光-电弧复合焊接技术广泛适用于从薄板小变形到厚板的高速焊接、适用于铝合金及异种材料的焊接。激光-电弧复合焊接充分发挥了激光和电弧焊接的优势，有效地提高了焊接效率，缩短了焊接工序周期；特别在铝合金等难焊接金属中，能在不同程度、不同方面减少或消除焊接缺陷。由于经济性和技术实用性的突出优势，将在航空航天制造业中广泛应用。