作者：上海飛博激光科技有限公司  劉東宇 王錦軍

1.1 實驗設(shè)備

實驗采用高光束質(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，中心波長為1080nm，光束質(zhì)量M²＜1.6；嘉強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TX90六軸機器人。采用JZX91熔深顯微鏡觀察焊縫表面。

1.2 實驗材料

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鋁合金通常用于動力電池外殼，3A21 鋁合金用于微波組件外殼。本次實驗采用3003鋁合金材料進(jìn)行了激光焊接測試。焊接接頭采用對接的方式，將工件切割成100mm＊100mm＊2mm板材進(jìn)行對焊。

3003 鋁合金標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分表

1.3 實驗方法

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)激光和脈沖激光對試樣分別進(jìn)行焊接，焊接完成后在精密測量顯微鏡觀察焊縫表面形貌。

1.4 實驗參數(shù)

由于鋁合金對激光具有高反射性，為防止回反光燒毀激光器，對焊頭做了5度的傾斜。在連續(xù)激光進(jìn)行焊接時，分別對離焦量、激光器輸出功率和焊接速度 3 個工藝參量進(jìn)行優(yōu)化，以獲得連續(xù)激光焊的最佳工藝參量； 同時，在脈沖激光進(jìn)行焊接時，脈沖波形為方波，對脈沖能量進(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。

表1：連續(xù)激光焊接參數(shù)優(yōu)化

表2：脈沖激光焊接參數(shù)優(yōu)化

2．實驗結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)激光焊接

連續(xù)激光焊接焊縫表面成型如下圖：

通過實驗，我們將離焦量、焊接速度、激光功率對焊縫表面的影響總結(jié)如下：

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采用負(fù)離焦，而針對薄材料焊接時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，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左右時可獲得較好的表面成型以及良好熔深。

激光焊接速度對焊縫表面成型影響也較大，如圖5－8所示，在高速焊接時表面成型較為粗糙，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，下表面也會出現(xiàn)下塌現(xiàn)象。

在進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化時，同時發(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，焊接基本不能進(jìn)行，只是對表面進(jìn)行一定加熱。當(dāng)高于1500W時，可以進(jìn)行正常焊接。所以針對3系鋁合金材料激光焊接，存在一個激光功率密度的閾值，當(dāng)高于此閾值時才能實現(xiàn)焊接。

2.2 脈沖激光焊接

脈沖激光焊接焊縫表面成型如下圖：

采用脈沖模式對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，焊點的成型均由于功率密度過大，造成焊縫熔池中低熔點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），焊縫上表面會出現(xiàn)較嚴(yán)重的溝壑，下表面會出現(xiàn)下塌，如圖5所示。

通過對比改變離焦量發(fā)現(xiàn)在離焦量為＋1時焊縫表面成型最好，在離焦量為＋2時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6－7、6－11、7－8、8－9、10－11、12－13進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析得知，激光功率密度對3003鋁合金焊成型影響最大。激光頻率與焊接速度兩個參數(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，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焊接件的變形程度，也會影響焊縫的熱影響區(qū)晶粒的大小，這對焊接接頭的承受抗拉壓應(yīng)力是極其重要的。

3．結(jié)論

綜合以上實驗結(jié)果，通過連續(xù)－脈沖激光焊接的相比較，發(fā)現(xiàn)：在單位時間內(nèi)線能量一定的條件下，激光功率密度對3003鋁合金的焊縫成型起著關(guān)鍵作用。

所以在對3003鋁合金進(jìn)行焊接時不僅要考慮離焦量的變化，更重要的是選擇激光器時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)量優(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）。同時影響激光功率密度也有激光焊接頭的準(zhǔn)直聚焦的配比。