新型振蕩激光焊接技術在鋁合金焊接中的應用研究與性能優化

    一、鋁合金激光焊接的技術挑戰與創新路徑

    AlMg系鋁合金憑借優異的低溫韌性、耐腐蝕性能及可焊性，在汽車制造、船舶工程及液化天然氣（LNG）儲罐等領域展現出重要應用價值。然而，該類材料在激光焊接過程中面臨雙重技術瓶頸：一方面，鎂元素的沸點相對較低（約1090℃），焊接熱輸入易導致元素蒸發流失，引發成分偏析；另一方面，氫元素在鋁固液兩相中的溶解度存在顯著差異（液態鋁中氫溶解度約0.69cm3/100g，固態僅0.036cm3/100g），熔池凝固過程中極易析出氫氣并聚集成氣孔缺陷。此類缺陷不僅會導致焊接接頭軟化、誘發開裂風險，更嚴重制約了鋁合金在高負載結構件中的工程應用。

    傳統激光焊接（LBW）技術雖具備深寬比大、熱影響區窄等優勢，但受限于光斑尺寸小、裝配精度要求嚴苛，且熔池動態穩定性不足，難以有效解決氣孔控制難題。而振蕩激光焊接（OLBW）技術通過引入創新的“W”形振蕩掃描軌跡，在熔池內部構建持續攪拌效應，為突破上述技術瓶頸提供了全新解決方案。實驗研究表明，該技術可將焊縫氣孔率控制在0.1%以下，接頭抗拉強度提升至母材強度的85.8%，實現了焊接質量的顯著優化。

    二、實驗設計與微觀組織調控機制研究

    本研究以AA5052H112鋁合金為實驗材料（試樣尺寸100mm×50mm×3mm），采用IPGYLS4000型光纖激光器，搭配Han'sLaser研發的振蕩焊接頭，在KUKAKR602100六軸機器人平臺上開展工藝實驗。實驗設定激光離焦量為0mm，焊接速度0.1m/s，保護氣體采用純度99.999%的氬氣（側軸供氣，角度約45°），重點探究振蕩頻率（0~8Hz）對焊接質量的影響規律。

    1.振蕩頻率對氣孔抑制的量化影響

    非振蕩焊接（0Hz）條件下，焊縫氣孔率高達0.6%，其形成機理源于熔池流動呈現“高腳杯”狀層流結構，下部氣泡受上部回流熔體阻礙而無法及時逸出。當振蕩頻率提升至8Hz時，熔池內部形成顯著的渦流區域，熔池流動過渡角增大，氣泡逃逸阻力大幅降低，氣孔率可降至0.05%以下。這一現象驗證了OLBW技術的核心作用機制：通過振蕩攪拌強化熔池對流運動，延長氣泡逸出時間窗口，同時擴大熔池上部橫截面積，顯著提升氣體逸出效率。

    2.微觀組織演變的頻率響應特性

    與傳統LBW技術形成的柱狀晶主導組織不同，OLBW技術可顯著促進等軸晶的形成。實驗數據表明，當振蕩頻率從2Hz增至8Hz時，焊縫平均晶粒尺寸從33.9μm逐步細化至20.9μm，細化率達38.35%。電子背散射衍射（EBSD）分析進一步顯示，隨著振蕩頻率升高，大角度晶界（HABs）比例從68.42%降至28.09%，小角度晶界（LABs）占比顯著增加，位錯密度相應提升，通過HallPetch效應（細晶強化理論）實現了晶界強化效果的優化。

    三、力學性能提升的微觀宏觀關聯機制

    拉伸試驗結果表明，非振蕩焊接接頭的抗拉強度為141MPa，延伸率8.2%；當振蕩頻率優化至8Hz時，接頭抗拉強度提升至176MPa（達到母材強度的85.8%），延伸率達11%（為母材延伸率的48.7%）。斷口形貌分析顯示，振蕩焊接接頭的斷裂模式已從脆性斷裂轉變為典型的韌性斷裂，斷口表面可見明顯的韌窩結構與撕裂棱特征，充分證實了微觀組織優化對材料塑性性能的改善作用。

    性能提升的本質源于多重強化機制的協同作用：

    缺陷控制機制：氣孔率的降低有效減少了應力集中源，提升了接頭承載均勻性；

    組織優化機制：等軸晶網絡的形成與晶粒細化顯著提升了材料的變形協調性；

    成分均勻性調控：振蕩攪拌作用促進了鎂元素的均勻分布，避免了局部貧化導致的強度衰減。

    四、工程應用前景與技術發展展望

    OLBW技術通過“W”形振蕩軌跡設計，將焊縫寬度擴展至傳統LBW技術的1.5倍以上，有效解決了傳統激光焊接裝配精度要求嚴苛的工程難題，可直接適配生產現場的粗裝配工藝需求。目前該技術已在鋰電池薄法蘭冷卻管（0.4mm）焊接、AA5052/AA6061異種鋁合金連接等場景中完成工藝驗證，未來在以下領域具有廣闊的工程應用前景：

    1.新能源汽車制造：動力電池殼體與電機支架的高效精密焊接；

    2.航空航天領域：輕量化鋁合金構件的高可靠性連接；

    3.海洋工程裝備：耐蝕鋁合金結構的長壽命焊接制造。

    從熔池流動形態的“高腳杯”狀層流向“圓錐”形湍流轉變，從柱狀晶主導組織到等軸晶網絡構建，振蕩焊接激光加工技術通過頻率參數的精準調控，實現了鋁合金焊接冶金過程的動態重構。該技術不僅為鋁合金激光焊接中的氣孔抑制提供了有效的工程解決方案，更揭示了動態熔池調控在金屬連接中的關鍵科學機制，為先進制造領域的高性能材料連接技術發展開辟了新的研究方向。