夏豐濱，朱寶華，李小婷，肖華，黃裕佳

(大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052)

鋁合金重量輕、韌性好、高屈強(qiáng)比且易于加工成形，在工業(yè)生產(chǎn)特別是在汽車和航天工業(yè)中一些復(fù)雜構(gòu)件上的應(yīng)用日益廣泛，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，可大大降低結(jié)構(gòu)重量［1－5］。鋁是較為活潑的金屬，鋁及其合金導(dǎo)熱性很高，表面極易形成難熔的氧化膜，使用傳統(tǒng)焊接方法在焊縫中容易形成未熔合、夾雜、氣孔、結(jié)晶裂紋等缺陷［6－7］。與鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊相比，激光焊鋁的速度快、焊縫窄、熱應(yīng)變小，搭接接縫減少［8－10］。隨著工業(yè)發(fā)展對(duì)高效、環(huán)保、自動(dòng)化的需要，激光技術(shù)的應(yīng)用迅速普及到制造業(yè)的許多領(lǐng)域，在此基礎(chǔ)上，激光焊接工藝將成為激光應(yīng)用的重要方面之一。

由于鋁合金對(duì)激光的反射率較高，為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而對(duì)激光聚焦鏡造成傷害，焊接過程中通常把焊接頭偏轉(zhuǎn)一定角度，選擇4°～5°最佳。本文進(jìn)一步探索激光傾斜角度對(duì)焊點(diǎn)形態(tài)、有效結(jié)合面以及深度的研究。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

選擇鋁鎂合金5052為試驗(yàn)材料，試件尺寸50mm×10mm ×0.8 mm，50mm ×10mm ×2 mm，將兩層板進(jìn)行點(diǎn)焊疊焊在一起。

焊接設(shè)備為PB300焊接機(jī)(Han's laser)，最大輸出功率6 kW，傳輸光纖FSI-600，焊接頭準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)由焦距為150 mm的準(zhǔn)直鏡和焦距為150 mm的聚焦鏡組成。

1.2 試驗(yàn)方法

把兩塊鋁片用夾具夾緊后進(jìn)行點(diǎn)焊。激光輸出波形采用脈沖波形(圖1)，激光束傾斜角度為0°～60°，激光束傾斜方向與激光掃描方向相同(圖2)。對(duì)焊接后的樣品制作金相，在金相顯微鏡下觀察焊縫形貌，并測(cè)量熔深和熔寬。

圖1 脈沖波形示意圖Fig.1 Diagram of pulse waveform

圖2 激光焊接示意圖Fig.2 Schematic illustration of laser welding

2 結(jié)果與討論

2.1 截面形貌

圖3為激光束偏離不同角度點(diǎn)焊鋁合金后的截面微觀形貌?？梢钥吹?，焊縫呈“Y”型，隨著激光束傾斜角度的增加，焊縫根部與激光束的偏移方向一致。

圖3 激光束傾斜不同角度時(shí)鋁合金焊點(diǎn)形貌Fig.3 Weld morphologies of aluminum alloy at various tilt angles of laser beam

激光焊接分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊，深熔焊時(shí)會(huì)形成“小孔”效應(yīng)，當(dāng)激光束發(fā)生偏移時(shí)，“小孔”作用的熔池也發(fā)生相應(yīng)偏移。另外，圖(a)～(d)焊點(diǎn)根部中均有孔洞存在，(e)和(f)中氣孔缺陷得到改善?！俺卓住彼荻纬傻目锥词卿X合金中焊接過程中形成的孔洞缺陷之一，隨著傾斜角度增大，從流體力學(xué)上來說，在自身重力以及外界大氣壓下小孔不會(huì)輕易破滅，熔池中的液態(tài)金屬能及時(shí)填充小孔。然而，傾斜角度達(dá)到60°時(shí)，激光束已經(jīng)不能熔化下層金屬，焊點(diǎn)的有效深度急劇減小，點(diǎn)焊只能穿透上層鋁板，不能熔合下層鋁板。對(duì)比圖(a)～(g)，裂紋傾向得到改善。

圖4為焊點(diǎn)熔深、熔寬和激光束傾斜角度的關(guān)系，隨著光束傾斜角逐漸增大，焊接熔深和有效熔深的變化趨勢(shì)一致，焊點(diǎn)直徑和有效直徑變化趨勢(shì)一致，熔深和熔寬成反比變化。光束垂直入射比傾斜入射時(shí)，熔池的有效熔化面積要少，故在垂直入射時(shí)，焊點(diǎn)的直徑及有效結(jié)合面較小。傾斜角50°時(shí)，焊點(diǎn)直徑及有效結(jié)合面最大。鋁合金作為高反射材料，對(duì)Nd∶YAG激光的反射率高達(dá)80%，一般而言，為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而對(duì)激光聚焦鏡造成傷害，焊接過程中通常把焊接頭偏轉(zhuǎn)一定角度。隨著傾斜角進(jìn)一步增大，深熔焊的“小孔”已經(jīng)不能及時(shí)穿透下層鋁板，當(dāng)傾斜角達(dá)到60°時(shí)，兩層鋁板已經(jīng)不能熔合在一起。垂直入射時(shí)，焊點(diǎn)熔深和有效熔深最大，隨著激光束傾斜，焊點(diǎn)熔深和有效熔深都會(huì)減小。

圖4 焊點(diǎn)熔深、熔寬和有效結(jié)合面直徑與激光束傾斜角度的關(guān)系Fig.4 Relationship of laser tilt angle to weld penetration，weld width and diameter of effective joint surface

2.2 焊點(diǎn)硬度

圖5是不同激光入射角焊接試樣從焊點(diǎn)中心至母材的硬度值變化趨勢(shì)圖。由圖5可見，焊點(diǎn)HAZ處的硬度要稍高于母材和焊點(diǎn)中心區(qū)，這是由于HAZ晶粒細(xì)小，細(xì)晶強(qiáng)化的結(jié)果，另母材和焊點(diǎn)的硬度值沒有明顯變化。鋁合金的HAZ較小，激光傾斜角對(duì)HAZ的范圍、硬度影響均不大。

圖5 焊縫中心至母材區(qū)硬度值變化趨勢(shì)圖Fig.5 Trend graph of hardness value variation from weld center to base metal

2.3 焊點(diǎn)拉力

Al-Mg合金中，Mg和Al的沸點(diǎn)分別是1090℃和2467℃，相差1377℃，激光焊接是一個(gè)瞬時(shí)加熱和冷卻的過程，因此Mg在焊接過程中燒損嚴(yán)重，焊速越慢，燒損越嚴(yán)重，故Al-Mg合金易產(chǎn)生孔洞，而孔洞的出現(xiàn)也會(huì)直接影響焊點(diǎn)拉力。圖6為不同激光束傾斜角度下焊點(diǎn)拉力變化，拉力的變化趨勢(shì)和熔深變化趨勢(shì)一致。由于孔洞、裂紋的存在，最大拉力值也只達(dá)到15N。傾斜角大于40°時(shí)，雖然孔洞裂紋明顯減少，但是由于溶深也明顯變小，故拉力也會(huì)逐漸減小。

3 結(jié)論

1)激光傾斜角度大于10°時(shí)，焊點(diǎn)形態(tài)隨著激光束偏移方向發(fā)生偏移;

2)焊點(diǎn)直徑和有效結(jié)合面的直徑隨激光傾斜角增大而增大，激光傾斜角度40°時(shí)，焊點(diǎn)及有效結(jié)合面最大。焊點(diǎn)熔深和有效熔深隨激光傾斜角增大而減小，大于60°時(shí)，其有效焊接熔深降為零。

3)焊點(diǎn)拉力變化與熔深變化一致，隨著激光傾斜角增大，焊點(diǎn)拉力也逐漸減小，雖然當(dāng)激光傾斜角度達(dá)到40°時(shí)，焊點(diǎn)根部氣孔現(xiàn)象得到改善，但是由于熔深變小，拉力值還是會(huì)變小;

4)焊點(diǎn)HAZ處的硬度要稍高于母材和焊點(diǎn)中心區(qū)。

圖6 拉力與激光傾斜角的關(guān)系Fig.6 Relationship between strength and laser tilt angle

［1］余海燕，孫成智，陳關(guān)龍等.新型骨架式轎車車身開發(fā)研究進(jìn)展［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2003，19(5):75 －77.

［2］黃天澤，黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［3］張容波，陳昌明，吳憲.燃料電池轎車車身骨架結(jié)構(gòu)分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2002，24(7):39 －41.

［4］陳俐，鞏水利.鋁合金激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2011(11):46.

［5］宋東風(fēng)，胡繩蓀，馬力.鋁合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電焊機(jī)，2004，34(9):1 －3.

［6］曹麗杰.鋁及鋁合金激光焊接特性［J］.新技術(shù)新工藝，2008(8):59.

［7］王承偉，曲仕堯，王新洪等.鋁合金激光焊接的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.金屬加工，2008(8):38 －40.

［8］戴景杰.鋁合金激光焊接工藝特性研究［J］.電焊機(jī)，2010，40(3):20－23.

［9］邊美華，許先果.鋁合金復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電焊機(jī)，2005，35(8):29 －32.

［10］齊向前，李玉昌.鋁合金激光焊接技術(shù)特性［J］.焊接技術(shù)，2005(34):30－32.