鋁合金激光焊接前的激光清潔
鋁合金因其質輕，易于成型/加工，強度好，一般用于汽車、航天/航空和運動產業。連接鋁合金面板和薄板通常使用機械鉚接、電弧焊接、釬焊、攪拌摩擦焊、激光焊接、混合激光/電弧焊接。激光焊接速度很快，熱變形小。但是，激光焊接鋁合金通常會形成大量氣孔，因此焊點強度極低——通常是母材的50%-75%。激光焊接鋁合金產生氣孔的原因有很多：表面污染，包括表面氧化層的氫。氫通常困在鋁合金表面的氧化層。在激光焊接過程中，氫會被釋放出來，溶解在熔體池。氫在液態鋁中的溶解度要比在固態鋁中高得多。在液態情況下，氫的溶解度是：
S是氫在273°K和760T條件下的溶解度，T是指溫度(K)，P是指氫的分壓(1T=0.133mbar)。
從上可以看出，氫在液體鋁中的溶解度是在固體鋁中的20倍。因此，鋁合金在熔池中會吸收大量氫，在凝固過程中以氣孔的形式釋放出來。其它表面有機污染物如石油和油脂也會致使氫氣困在焊接區域。氫氣產生的氣孔通常較小(直徑小于0.5mm)。熔池中的氣孔會緩慢移動。氣孔移動速度可以通過測量得出：
R是氣孔的半徑，Δt是其空中液體和氣體的密度區別;g是重力加速度;μ是液體的動力粘度;t是液體的密度。對于鋁合金中直徑為50μm的氣孔來說，其移動速度是4-6mm/s，而液體凝固速度通常是20-50mm/s，因此氣孔難以排出。
激光匙孔。這通常出現在匙孔(深熔)焊接中，激光功率密度超過106W/cm2。對于焊接相對厚一些的鋁合金(大于3mm)，匙孔焊接能夠實現深熔。匙孔之所以形成，是因為激光焊接過程中產生高壓蒸汽/等離子，蒸汽脫離熔池時產生的強烈反沖壓力會生成深深的蒸汽孔。和較低功率密度傳熱激光焊接相比，這種匙孔會讓激光光束在材料的更深層面被吸收。如果鎖孔不牢固(一旦材料表面張力超過蒸汽反沖壓力，匙孔就會瓦解)或者材料凝固速度太快，蒸汽就會被困在熔化區，并形成大氣孔(一般大于0.5mm)。
(圖1：激光焊接AA6014鋁合金時激光功率、焊接速度及薄板間隙對氣孔形成的影響)
合金元素的蒸發。合金材料如鎂、錳、銅和硅等會被蒸發，困在熔化區，從而形成氣孔。這些合金元素還將改變材料表面的張力和粘度。
有很多方法可減少激光焊接輕合金時產生的氣孔。例如，控制氣體噴射法，擺動光束，雙光束焊接，以及表面清潔。使用激光功率低的傳導限制型激光焊接通常產生的氣孔較少，但是加工效率也要低一些。
本文對利用激光清潔技術來減少激光焊接中產生的氣孔進行了個案研究，對象為車身用6000系合金(AA6014)或通常所說的AC-170PX，其材料中含有0.5-0.7%的鋁，0.35%(最多)氟，0.2%的銅，和0.05-0.2%的錳。在鋁合金板成型加工過程中，鋁合金表面鍍有鈦和鋯(4mg/m2)和固體潤滑劑，在成型加工后會殘留在材料表面。焊接工作由填充焊絲和5.3kW的碟片激光器來完成。
激光功率、速度和薄板間隙對氣孔的影響
圖1顯示了使用 AA4043(5.3%的硅)焊絲進行角邊焊接時激光功率(2-5.3kW)、焊接速度和薄板間隙對焊接氣孔形成的影響。在不同的焊接條件下，線能量(單位長度的能量)相近，但激光功率越高(速度越快)，氣孔越多。在薄板之間留下空隙能大大減少氣孔，但是氣孔數量仍然較多。這些氣孔的直徑通常小于200μm，如圖2所示。
(圖2：以5300W激光功率和50mm/s焊接速度對AA6014合金實施激光焊接時的氣孔大小分布)
焊絲對氣孔的影響
圖3顯示了3種不同焊絲對氣孔的影響：AA4043(5.2%的硅)，AA4047(12%的硅)，和 AA3004(0.3%的硅、1-1.5%的錳及0.8-1.3%的鎂)在激光焊接AA6014合金時的氣孔形成情況。硅和鎂的含量越高似乎有助于減少氣孔形成。硅增加了材料的流動性，減少了液體階段的粘性，因此能夠減少氣孔。錳/鎂盡管更容易氣化，但能夠填補鋁合金中這些元素的缺失。錳和鎂會降低材料表面的張力，從而降低鎖孔瓦解的幾率。
(圖3：以5300W激光功率和50mm/s焊接速度進行焊接時，3種不同焊絲對氣孔形成的影響)
激光清潔對氣孔的影響
激光清潔是利用納秒脈沖Nd:YAG激光器(600W)和光柵掃描(95mm/s)來移除約20μm厚的表層。圖4比較了有無進行激光清潔情況下，激光焊接時氣孔形成的不同。很明顯，在這三種激光焊接參數條件下，激光清潔大大減少了氣孔的形成，全部將孔隙率降到了低于1%。
(圖4：激光焊接時有無使用激光清潔的氣孔水平對比圖)
應用
上述激光清潔/焊接技術現已實際應用于英國捷豹和路虎汽車制造。科學表明為將激光焊接技術引入鋁合金焊接提供了更多信心和幫助。
小結
上述研究已清楚展示了將激光清潔應用于激光焊接鋁合金對于改進質量(減少氣孔)的好處，該技術業已實際應用于工業生產。值得注意的是，盡管激光清潔在焊接薄鋁合金時對減少焊接氣孔起著關鍵作用，但在焊接厚型材鋁合金時效果不會如此明顯，因為其氣孔形成的主因是鎖孔影響，而非表面氧化物和污染物。
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