劉東宇?王錦軍 上海飛博激光科技有限公司
隨著汽車行業(yè)的不斷壯大，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車將共同主導(dǎo)中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)的未來發(fā)展。電動(dòng)車輕量化和燃料電池的大量使用，必然涉及到越來越多的鋁合金焊接工藝。鋁合金具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的輕金屬材料。目前鋁合金材料的連接還主要是以惰性氣體鎢極保護(hù)焊和熔化極惰性氣體保護(hù)焊兩種傳統(tǒng)焊接工藝進(jìn)行焊接的。這兩種焊接工藝焊接速度慢、生產(chǎn)效率低，而且焊接熱輸入大，使得鋁合金焊接變形較大，同時(shí)焊接接頭處晶粒粗大，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量較差。而作為一種高能量密度熱源的激光，具有較快的焊接速度和較小的熱輸入，因此焊接變形小，獲得的產(chǎn)品質(zhì)量也較為優(yōu)異。
1 實(shí)驗(yàn)條件與方法
?1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)采用高光束質(zhì)量的飛博激光YDFL-2000-CW-MM高功率連續(xù)光纖激光器，工作模式為：CW/QCW，中心波長(zhǎng)為1080nm,光束質(zhì)量M2<1.6;嘉強(qiáng)BW240-4KW光纖激光高功率以及具有同軸 CCD 顯示和照明功能的焊接頭（準(zhǔn)直聚焦配比為100:200）；史陶比爾TX90六軸機(jī)器人。采用JZX91熔深顯微鏡觀察焊縫表面。
1.2 實(shí)驗(yàn)材料
按合金化系列，鋁及鋁合金可分為 1 系（工業(yè)純鋁）、2 系（鋁 - 銅）、3 系（鋁 - 錳）、4 系（鋁 - 硅）、5 系（鋁 - 鎂）、6 系（鋁 - 鎂 - 硅）、7 系（鋁 - 鋅 - 鎂 -銅）、8 系（其他）八類合金。不同的系列的鋁合金由于成分和組織的差異，所表現(xiàn)出來的焊接性能相差也是比較大的。3系鋁合金是防銹鋁合金，具有優(yōu)秀的防銹特性，成形性、熔接性、耐蝕性均良好，其中3003鋁合金通常用于動(dòng)力電池外殼，3A21 鋁合金用于微波組件外殼。本次實(shí)驗(yàn)采用3003鋁合金材料進(jìn)行了激光焊接測(cè)試。焊接接頭采用對(duì)接的方式,將工件切割成100mm*100mm*2mm板材進(jìn)行對(duì)焊。
3003?鋁合金標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分表
元素 | Si | Mg | Fe | Cu | Mn | Zn | Ti |
元素含量 | 0.6 | 0.05 | 0.7 | 0.2 | 1.0-1.6 | 0.1 | 0.15 |
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
在焊接前使用丙酮溶液超聲波清洗器 25?min，以清除試樣表面的油污等雜質(zhì)。采用連續(xù)激光和脈沖激光對(duì)試樣分別進(jìn)行焊接，焊接完成后在精密測(cè)量顯微鏡觀察焊縫表面形貌。
1.4實(shí)驗(yàn)參數(shù)
由于鋁合金對(duì)激光具有高反射性，為防止回反光燒毀激光器，對(duì)焊頭做了5度的傾斜。在連續(xù)激光進(jìn)行焊接時(shí)，分別對(duì)離焦量、激光器輸出功率和焊接速度 3 個(gè)工藝參量進(jìn)行優(yōu)化，以獲得連續(xù)激光焊的最佳工藝參量; 同時(shí)，在脈沖激光進(jìn)行焊接時(shí)，脈沖波形為方波，對(duì)脈沖能量進(jìn)行了優(yōu)化，以獲得脈沖激光焊的最佳工藝參量。優(yōu)化后焊接工藝參數(shù)如表 1和表 2?所示。
連續(xù)激光焊接參數(shù)優(yōu)化表1
序號(hào) | 功率(W) | 速度(mm/s) | 離焦量(mm) | 保護(hù)氣體 | 氣體流量(L/min) |
1 | 1500 | 40 | 0 | Ar | 20 |
2 | 1500 | 40 | -1 | Ar | 20 |
3 | 1500 | 40 | -2 | Ar | 20 |
4 | 1500 | 40 | 1 | Ar | 20 |
5 | 1500 | 70 | -1 | Ar | 20 |
6 | 1500 | 60 | -1 | Ar | 20 |
7 | 1500 | 50 | -1 | Ar | 20 |
8 | 1500 | 30 | -1 | Ar | 20 |
脈沖激光焊接參數(shù)優(yōu)化表2
序號(hào) | 功率(W) | 頻率（HZ） | 占空比 | 速度(mm/s) | 離焦量(mm) | 保護(hù)氣體 | 氣體流量(L/min) |
1 | 2000 | 32 | 60% | 32 | 0 | Ar | 20 |
2 | 2000 | 16 | 60% | 32 | 0 | Ar | 20 |
3 | 2000 | 24 | 60% | 32 | 0 | Ar | 20 |
4 | 2000 | 24 | 40% | 32 | 0 | Ar | 20 |
5 | 2000 | 24 | 80% | 32 | 0 | Ar | 20 |
6 | 2000 | 24 | 60% | 32 | 1 | Ar | 20 |
7 | 2000 | 24 | 60% | 32 | 2 | Ar | 20 |
8 | 2000 | 64 | 60% | 32 | 2 | Ar | 20 |
9 | 2000 | 64 | 80% | 32 | 2 | Ar | 20 |
10 | 2000 | 64 | 40% | 32 | 1 | Ar | 20 |
11 | 2000 | 24 | 40% | 32 | 1 | Ar | 20 |
12 | 2000 | 100 | 60% | 32 | 1 | Ar | 20 |
13 | 2000 | 1000 | 60% | 32 | 1 | Ar | 20 |
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1連續(xù)激光焊接焊縫表面成型如下圖：
1.離焦量對(duì)焊縫表面的影響
激光深熔焊的離焦方式有三種：正離焦，零離焦與負(fù)離焦，一般要求焊接深度較大時(shí)采用負(fù)離焦，而針對(duì)薄材料焊接時(shí)多采用零離焦或者正離焦。在鋁合金激光焊接中，離焦量的變化對(duì)焊縫的表面成形和熔深都有較大的影響。如上圖1-4所示，在零焦點(diǎn)和正離焦量條件下焊縫成型比較平滑，但熔深隨之變淺，甚至出現(xiàn)焊不透的現(xiàn)象。隨著負(fù)離焦的增大，焊縫表面變得粗糙，熔深也隨之增加。當(dāng)離焦量為-2mm時(shí)，焊縫表面蒸發(fā)劇烈而出現(xiàn)溝壑，下表面也出現(xiàn)明顯下塌。所以3003鋁合金焊接的聚焦范圍在-1mm左右時(shí)可獲得較好的表面成型以及良好熔深。
2.焊接速度對(duì)焊縫表面的影響
激光焊接速度對(duì)焊縫表面成型影響也較大，如圖5-8所示，在高速焊接時(shí)表面成型較為粗糙，隨著速度的降低焊縫表面成型較為平滑，但速度過低由于單位輸入的線能量較大，下表面也會(huì)出現(xiàn)下塌現(xiàn)象。
3.激光功率對(duì)焊縫表面的影響
在進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在保持零離焦量和焊接速度等其他工藝參數(shù)不變的條件下，當(dāng)功率低于1500W時(shí)，焊接基本不能進(jìn)行，只是對(duì)表面進(jìn)行一定加熱。當(dāng)高于1500W時(shí)，可以進(jìn)行正常焊接。所以針對(duì)3系鋁合金材料激光焊接，存在一個(gè)激光功率密度的閾值，當(dāng)高于此閾值時(shí)才能實(shí)現(xiàn)焊接。
2.2脈沖激光焊接焊縫表面成型如下圖：
采用脈沖模式對(duì)3003鋁合金進(jìn)行焊接，如圖1-4所示，在激光功率為2000W，離焦量為0的位置時(shí)進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)無論是改變調(diào)制頻率還是占空比，焊點(diǎn)的成型均由于功率密度過大，造成焊縫熔池中低熔點(diǎn)Mn金屬元素的蒸發(fā)汽化，蒸汽壓力造成金屬飛濺，焊縫表面粗糙，焊縫不連續(xù)，有孔洞。當(dāng)占空接近100%（及接近連續(xù)焊接時(shí)），焊縫上表面會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的溝壑，下表面會(huì)出現(xiàn)下塌，如圖5所示。
通過對(duì)比改變離焦量發(fā)現(xiàn)在離焦量為+1時(shí)焊縫表面成型最好，在離焦量為+2時(shí)雖然焊縫表面成型較好，但由于離焦太大激光功率密度不足，直接由深熔焊變?yōu)闊醾鲗?dǎo)焊，僅熔化工件表面，如圖5-7所示。
采用單一變量法對(duì)6-7、6-11、7-8、8-9、10-11、12-13進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，激光功率密度對(duì)3003鋁合金焊成型影響最大。激光頻率與焊接速度兩個(gè)參數(shù)共同決定了光斑重合率的大小，所以要獲得致密魚鱗紋可以增加激光焊接頻率或者降低焊接速度，一般工業(yè)加工對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)能有嚴(yán)格的要求，所以在進(jìn)行需要控制魚鱗紋致密性的焊接時(shí)，例如微波組件的激光封裝焊接，要適當(dāng)?shù)奶岣呒す夂附宇l率。激光焊接占空比不僅影響焊縫的深度和整個(gè)焊接件的變形程度，也會(huì)影響焊縫的熱影響區(qū)晶粒的大小，這對(duì)焊接接頭的承受抗拉壓應(yīng)力是極其重要的。
綜上所述：通過連續(xù)-脈沖激光焊接的相比較，發(fā)現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)線能量一定的條件下，激光功率密度對(duì)3003鋁合金的焊縫成型起著關(guān)鍵作用。所以在對(duì)3003鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)不僅要考慮離焦量的變化，更重要的是選擇激光器時(shí)要充分考慮激光器的光斑模式（即光纖激光器的模塊組成分為單模和多模兩種，單模激光器的纖芯比較細(xì)，光束質(zhì)量?jī)?yōu)于多模，能量分布呈高斯分布，中間能量密度最高，三維圖是一個(gè)尖圓的山峰狀。多模激光器的纖芯相比粗一些，光束質(zhì)量相比單模要差一些，能量分布相比單模光斑平均一些，三維圖像一個(gè)倒扣的杯子，從邊緣陡峭程度來看，多模的比單模的陡峭很多）。同時(shí)影響激光功率密度也有激光焊接頭的準(zhǔn)直聚焦的配比。