采用花瓣式激光摆动技术提升AA 7075铝合金板材角焊缝质量

推荐：本研究针对高强铝合金AA 7075焊接中易出现的凝固裂纹和孔隙问题，通过对比静态光束、圆形摆动和新型花瓣式激光摆动模式，发现花瓣式摆动可均匀分布热输入，显著降低温度梯度，抑制热裂纹并扩大工艺窗口，为航空航天轻量化结构焊接提供新方案。

　　

高强铝合金AA 7075因其优异的强度重量比，在航空航天和汽车工业中备受青睐，但其焊接性能却是一大难题。这类合金在焊接过程中容易产生凝固裂纹和孔隙，主要归因于其宽凝固温度范围、高凝固收缩率以及液态氢溶解度高等特性。传统焊接方法如电弧焊热输入大，易加剧这些问题。激光焊接虽能减少热输入，但对AA 7075这类难焊合金仍面临工艺窗口窄、质量不稳定的挑战。特别是在角焊缝（lap fillet joint）应用中，如何平衡熔深、焊缝宽度和缺陷控制成为关键。

加拿大滑铁卢大学的研究团队在《Optics》发表论文，创新性地提出了一种花瓣式激光摆动（flower pattern laser wobbling）技术，系统比较了静态光束、传统圆形摆动和新型花瓣式摆动对角焊缝质量的影响。研究通过准静态拉伸测试、横截面显微观察和高速摄像分析，揭示了花瓣式摆动在热分布均匀性和裂纹抑制方面的独特优势。

关键技术方法包括：1）采用IPG YLS-8000光纤激光器进行三种模式（静态、圆形摆动、花瓣式摆动）焊接；2）通过数学建模计算不同摆动模式下的表面能量分布；3）对2.0 mm厚AA 7075板材进行参数化焊接实验，重点考察激光偏移量（offset）对焊缝形貌的影响；4）结合高速摄像观察熔池动态行为与凝固过程。

计算结果
通过建立的摆动轨迹方程（含振幅A、频率F及相位角φ等参数），量化比较了三种模式的能量分布特征。花瓣式摆动展现出更均匀的径向能量分布，其热输入梯度显著低于圆形摆动模式。

材料与方法
选用商业AA 7075板材（抗拉强度529±4.9 MPa），采用200 mm×100 mm试样进行丙酮清洗。焊接参数包括激光功率3.5-5.0 kW、速度2-4 m/min，重点调控偏移量（-1.0至+0.5 mm）。

结果
1）形貌特征：花瓣式摆动在-0.5 mm偏移量下仍能获得无裂纹焊缝，而圆形摆动在负偏移区域出现明显凝固裂纹；
2）力学性能：花瓣式焊缝的拉伸强度比圆形摆动提高15%，且工艺窗口扩大40%；
3）熔池行为：高速摄像显示花瓣式摆动使熔池寿命延长20%，降低了凝固前沿的应变速率。

讨论
花瓣式摆动的优势源于其多向热流特性：1）双重正弦叠加轨迹促进熔池对流，减少局部过热；2）降低固液界面的温度梯度，有效抑制枝晶间撕裂；3）平滑的焊缝表面（Ra<10 μm）表明其具有更好的流体稳定性。

结论与意义
该研究证实花瓣式激光摆动可突破AA 7075焊接的技术瓶颈：1）将无裂纹焊接的偏移量范围从圆形摆动的+0.2 mm扩展至-0.5 mm；2）能量分布计算模型为摆动模式设计提供理论依据；3）提出的"低温梯度焊接"新策略对高强铝合金连接具有普适指导价值。这项工作为航空航天轻量化结构制造提供了可靠的工艺解决方案，相关能量分布调控思路也可推广至其他难焊材料体系。