隨著手機(jī)、平板電腦、筆記本等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的更新發(fā)展，大量新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)得到了應(yīng)用，而鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、成型性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制作各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件，并采用激光脈沖點(diǎn)焊工藝進(jìn)一步加工。在使用激光進(jìn)行脈沖點(diǎn)焊時(shí)，焊點(diǎn)極易產(chǎn)生裂紋，造成焊接強(qiáng)度下降，穩(wěn)定性也大大降低。傳統(tǒng)的 CO2、YAG 等連續(xù)激光器焊接鋁合金雖然能夠避免裂紋的產(chǎn)生，但是傳統(tǒng)激光器光束質(zhì)量差、體積龐大、維護(hù)費(fèi)用高、光電轉(zhuǎn)換效率低，在一定程度上制約了其在消費(fèi)類電子產(chǎn)品上的應(yīng)用。尤其是消費(fèi)類電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件都具有厚度薄、體積小、精度高等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)連續(xù)激光器焊接時(shí)易產(chǎn)生變形大、焊穿、燒熔等問題。

光纖激光器的快速發(fā)展為解決這一難題帶來了契機(jī)，光纖激光器誕生于 20 世紀(jì) 60 年代，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，發(fā)展比較緩慢。自 1988 年Snitzer 等人提出雙包層光纖以來，基于這種包層泵浦技術(shù)的光纖激光器和放大器獲得了快速發(fā)展，光纖激光器的輸出功率水平快速提升，并廣泛應(yīng)用于高精度激光加工、激光醫(yī)療、光通信及國防等領(lǐng)域。

相對于傳統(tǒng)激光器，光纖激光器光束質(zhì)量好、體積小、精度高、光電轉(zhuǎn)換效率高。在焊接消費(fèi)類電子產(chǎn)品的鋁合金結(jié)構(gòu)件時(shí)，能夠很好地避免傳統(tǒng)激光器焊接時(shí)存在的一些缺陷和問題。在此將光纖激光器和在消費(fèi)類電子產(chǎn)品鋁合金結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用廣泛的脈沖激光器進(jìn)行對比研究，以確定光纖激光器是否能夠成功應(yīng)用于此類產(chǎn)品上。

實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

(1) 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)選取了具有代表性的 5052鋁合金作為材料，并分析其化學(xué)成分，結(jié)果如表 1 所示。材料厚度為 0.8mm，焊接接頭為搭接接頭。

(2) 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)所用脈沖激光器為 YAG 燈泵功率反饋脈沖激光器，激光器功率300W，其外觀如圖 1 所示。光纖激光器采用單模光纖激光器，激光功率500W，外觀如圖 2 所示。

 

 

 

 

圖1：YAG脈沖激光焊接機(jī)

圖2：500W光纖激光器

實(shí)驗(yàn)過程中采用金相分析法評估焊接質(zhì)量，通過拉力測試評估焊接強(qiáng)度，并通過測量焊后工件外觀尺寸的方法評估焊接變形。實(shí)驗(yàn)中的焊接參數(shù)如表 1、表 2 所示。

焊接缺陷

鋁合金激光焊接的主要缺陷是氣孔和裂紋，這點(diǎn)在脈沖激光焊接時(shí)體現(xiàn)得尤為明顯。一般認(rèn)為鋁合金激光焊接產(chǎn)生的氣孔主要是氫氣孔和低熔沸點(diǎn)合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致的氣孔。鋁合金線膨脹系數(shù)高，焊接應(yīng)力大，又是共晶型合金，易產(chǎn)生熱裂紋。尤其是激光脈沖點(diǎn)焊時(shí)，單個(gè)脈沖作用時(shí)間短，熱循環(huán)速度快，裂紋傾向很大。而采用光纖激光器連續(xù)縫焊鋁合金時(shí)，由于熔池存在時(shí)間大大延長，改善了焊接應(yīng)力以及低熔點(diǎn)物質(zhì)對焊接裂紋的影響，極大地減少了焊接過程中產(chǎn)生裂紋的傾向。同時(shí)，熔池存在時(shí)間的延長也有利于熔池中氣體的排出，減少焊接氣孔的形成。

圖3：脈沖激光器鋁合金點(diǎn)焊焊點(diǎn)與光纖激光器縫焊焊縫金相對比
 

脈沖激光器鋁合金點(diǎn)焊焊點(diǎn)與光纖激光器縫焊焊縫金相對比如圖 3 所示，由圖 3 可知，光纖激光器連續(xù)縫焊條件下，裂紋和氣孔都得到了明顯的改善。

強(qiáng)度和穩(wěn)定性

焊接裂紋會明顯降低焊接接頭的強(qiáng)度，對產(chǎn)品的實(shí)用性和可靠性有巨大影響，是最具危害的焊接缺陷之一。鋁合金脈沖激光點(diǎn)焊時(shí)，裂紋是影響焊接強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，由于裂紋的不可避免性以及不規(guī)律性，造成鋁合金點(diǎn)焊的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料本身的強(qiáng)度，并且各個(gè)焊接產(chǎn)品之間的強(qiáng)度差異也很大，穩(wěn)定性較差。而光纖激光器連續(xù)焊接方式焊接鋁合金能夠避免焊接裂紋的產(chǎn)生，有效提高焊縫的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

光纖激光器和脈沖激光器焊接同一鋁合金產(chǎn)品的焊接拉力進(jìn)行對比。經(jīng)計(jì)算，光纖激光器的平均拉力是脈沖激光器的 3.9 倍，而拉力數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差只有脈沖激光器的 1/3。結(jié)合圖3 的金相分析可知，光纖激光器的焊縫結(jié)合部位的寬度比脈沖點(diǎn)焊小得多，但是拉力能達(dá)到脈沖激光器的近 4 倍，這是因?yàn)?：（1）光纖激光器焊縫在長度方向上仍有延伸，實(shí)際的有效結(jié)合面積并不比脈沖焊點(diǎn)小 ；（2）脈沖焊點(diǎn)的氣孔和裂紋等焊接缺陷造成其焊接強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材強(qiáng)度，而光纖激光器焊縫的強(qiáng)度接近母材。因此，光纖激光器在焊接該類型產(chǎn)品時(shí)，相比脈沖激光器能夠有效提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

焊接效率

由于光纖激光器縫焊的拉力大大高于脈沖激光點(diǎn)焊，這為提高焊接效率提供了空間，通過減小焊縫條數(shù)和焊縫長度，能夠在較高的焊接效率條件下，實(shí)現(xiàn)與脈沖激光點(diǎn)焊相同甚至更高的焊接拉力。

在實(shí)際操作過程中，通過合理優(yōu)化焊接參數(shù)、焊縫條數(shù)、長度以及焊接位置等，光纖激光器分段連續(xù)縫焊工藝完全可以替代原有的脈沖激光點(diǎn)焊工藝。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該工藝獲得了原有脈沖激光點(diǎn)焊工藝3 倍以上的生產(chǎn)效率，同時(shí)，將焊接拉力提高到原有脈沖激光點(diǎn)焊工藝的1.5 倍以上。

焊接變形

鋁合金線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形。激光焊接鋁合金的變形量相對較小，但是在焊接 IT 構(gòu)件類精密程度較高的產(chǎn)品時(shí)，即使微小的變形仍然會產(chǎn)生較大的影響，需要進(jìn)行預(yù)防控制。一般采用傳統(tǒng)連續(xù)激光器進(jìn)行縫焊的熱輸入量都要大于脈沖激光點(diǎn)焊，因此變形量也會比脈沖激光點(diǎn)焊大。而光纖激光器由于具有優(yōu)異的光束質(zhì)量，光斑更小，能量更集中，能夠以更快的速度和更小的熱輸入量進(jìn)行焊接，因此產(chǎn)品變形相對傳統(tǒng)連續(xù)激光器更小。

由于光纖激光器具有上述特點(diǎn)，同時(shí)光纖激光器焊接鋁合金 IT 構(gòu)件產(chǎn)品時(shí)的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于脈沖激光器，通過合理優(yōu)化光纖激光器的焊接參數(shù)、焊縫條數(shù)、焊縫長度以及分布位置，在滿足工件的強(qiáng)度要求的同時(shí)，減少了焊接過程中注入工件的整體熱量，以達(dá)到進(jìn)一步減小工件焊接熱變形的目的。經(jīng)測量，光纖激光器縫焊工件的整體焊接變形量超出脈沖激光點(diǎn)焊3.5%，相對脈沖激光點(diǎn)焊工藝差異不明顯，能夠滿足實(shí)際需求。

產(chǎn)品外觀

IT 構(gòu)件類產(chǎn)品對外觀都有較高的要求，而鋁合金材料受元素偏析、表面粗糙度、氧化層等影響，造成工件表面激光吸收率不一致，這種現(xiàn)象對激光脈沖點(diǎn)焊影響較大。采用脈沖激光點(diǎn)焊時(shí)容易出現(xiàn)未焊合、飛濺、煙塵等問題，影響產(chǎn)品外觀和性能，需要進(jìn)行二次清理。

圖4：脈沖激光器點(diǎn)焊與光纖激光器縫焊外觀對比

脈沖激光器點(diǎn)焊焊點(diǎn)與光纖激光器縫焊焊縫的外觀對比如圖 4 所示。光纖激光器連續(xù)縫焊鋁合金時(shí)，焊接過程更加平穩(wěn)，不易產(chǎn)生飛濺和煙塵，無需進(jìn)行二次清理，在外觀和工序上均優(yōu)于脈沖激光器。

結(jié)論

（1）采用光纖激光器連續(xù)縫焊鋁合金 IT 構(gòu)件產(chǎn)品可以避免脈沖激光點(diǎn)焊時(shí)常出現(xiàn)的焊接裂紋、氣孔等缺陷，大大提高了焊接強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。
（2）通過優(yōu)化光纖激光器的焊接參數(shù)、焊縫條數(shù)、焊縫長度以及分布位置，可以減小焊接變形，提高生產(chǎn)效率。
（3）光纖激光器焊接鋁合金 IT構(gòu)件時(shí)，焊縫平滑美觀，不易產(chǎn)生飛濺、煙塵等，不需要進(jìn)行二次清理，減少了生產(chǎn)工序。
（4）光纖激光器的分段縫焊工藝在焊接強(qiáng)度、整體外觀、生產(chǎn)效率等方面均優(yōu)于脈沖激光器的點(diǎn)焊工藝，并且在變形量與脈沖激光器相當(dāng)，完全可以取代普通脈沖激光器在鋁合金 IT 構(gòu)件產(chǎn)品上的應(yīng)用，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。