新型振荡激光焊接技术在铝合金焊接中的应用研究与性能优化

    一、铝合金激光焊接的技术挑战与创新路径

    AlMg系铝合金凭借优异的低温韧性、耐腐蚀性能及可焊性，在汽车制造、船舶工程及液化天然气（LNG）储罐等领域展现出重要应用价值。然而，该类材料在激光焊接过程中面临双重技术瓶颈：一方面，镁元素的沸点相对较低（约1090℃），焊接热输入易导致元素蒸发流失，引发成分偏析；另一方面，氢元素在铝固液两相中的溶解度存在显著差异（液态铝中氢溶解度约0.69cm³/100g，固态仅0.036cm³/100g），熔池凝固过程中极易析出氢气并聚集成气孔缺陷。此类缺陷不仅会导致焊接接头软化、诱发开裂风险，更严重制约了铝合金在高负载结构件中的工程应用。

    传统激光焊接（LBW）技术虽具备深宽比大、热影响区窄等优势，但受限于光斑尺寸小、装配精度要求严苛，且熔池动态稳定性不足，难以有效解决气孔控制难题。而振荡激光焊接（OLBW）技术通过引入创新的“W”形振荡扫描轨迹，在熔池内部构建持续搅拌效应，为突破上述技术瓶颈提供了全新解决方案。实验研究表明，该技术可将焊缝气孔率控制在0.1%以下，接头抗拉强度提升至母材强度的85.8%，实现了焊接质量的显著优化。

    二、实验设计与微观组织调控机制研究

    本研究以AA5052H112铝合金为实验材料（试样尺寸100mm×50mm×3mm），采用IPGYLS4000型光纤激光器，搭配Han'sLaser研发的振荡焊接头，在KUKAKR602100六轴机器人平台上开展工艺实验。实验设定激光离焦量为0mm，焊接速度0.1m/s，保护气体采用纯度99.999%的氩气（侧轴供气，角度约45°），重点探究振荡频率（0~8Hz）对焊接质量的影响规律。

    1.振荡频率对气孔抑制的量化影响

    非振荡焊接（0Hz）条件下，焊缝气孔率高达0.6%，其形成机理源于熔池流动呈现“高脚杯”状层流结构，下部气泡受上部回流熔体阻碍而无法及时逸出。当振荡频率提升至8Hz时，熔池内部形成显著的涡流区域，熔池流动过渡角增大，气泡逃逸阻力大幅降低，气孔率可降至0.05%以下。这一现象验证了OLBW技术的核心作用机制：通过振荡搅拌强化熔池对流运动，延长气泡逸出时间窗口，同时扩大熔池上部横截面积，显著提升气体逸出效率。

    2.微观组织演变的频率响应特性

    与传统LBW技术形成的柱状晶主导组织不同，OLBW技术可显著促进等轴晶的形成。实验数据表明，当振荡频率从2Hz增至8Hz时，焊缝平均晶粒尺寸从33.9μm逐步细化至20.9μm，细化率达38.35%。电子背散射衍射（EBSD）分析进一步显示，随着振荡频率升高，大角度晶界（HABs）比例从68.42%降至28.09%，小角度晶界（LABs）占比显著增加，位错密度相应提升，通过HallPetch效应（细晶强化理论）实现了晶界强化效果的优化。

    三、力学性能提升的微观宏观关联机制

    拉伸试验结果表明，非振荡焊接接头的抗拉强度为141MPa，延伸率8.2%；当振荡频率优化至8Hz时，接头抗拉强度提升至176MPa（达到母材强度的85.8%），延伸率达11%（为母材延伸率的48.7%）。断口形貌分析显示，振荡焊接接头的断裂模式已从脆性断裂转变为典型的韧性断裂，断口表面可见明显的韧窝结构与撕裂棱特征，充分证实了微观组织优化对材料塑性性能的改善作用。

    性能提升的本质源于多重强化机制的协同作用：

    缺陷控制机制：气孔率的降低有效减少了应力集中源，提升了接头承载均匀性；

    组织优化机制：等轴晶网络的形成与晶粒细化显著提升了材料的变形协调性；

    成分均匀性调控：振荡搅拌作用促进了镁元素的均匀分布，避免了局部贫化导致的强度衰减。

    四、工程应用前景与技术发展展望

    OLBW技术通过“W”形振荡轨迹设计，将焊缝宽度扩展至传统LBW技术的1.5倍以上，有效解决了传统激光焊接装配精度要求严苛的工程难题，可直接适配生产现场的粗装配工艺需求。目前该技术已在锂电池薄法兰冷却管（0.4mm）焊接、AA5052/AA6061异种铝合金连接等场景中完成工艺验证，未来在以下领域具有广阔的工程应用前景：

    1.新能源汽车制造：动力电池壳体与电机支架的高效精密焊接；

    2.航空航天领域：轻量化铝合金构件的高可靠性连接；

    3.海洋工程装备：耐蚀铝合金结构的长寿命焊接制造。

    从熔池流动形态的“高脚杯”状层流向“圆锥”形湍流转变，从柱状晶主导组织到等轴晶网络构建，振荡焊接激光加工技术通过频率参数的精准调控，实现了铝合金焊接冶金过程的动态重构。该技术不仅为铝合金激光焊接中的气孔抑制提供了有效的工程解决方案，更揭示了动态熔池调控在金属连接中的关键科学机制，为先进制造领域的高性能材料连接技术发展开辟了新的研究方向。