呂志超，洪洋，趙國(guó)江

6063鋁合金單模光纖激光焊接工藝研究

呂志超1，洪洋1，趙國(guó)江2

（1. 臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318020； 2. 浙江邦得利環(huán)保科技股份有限公司，浙江 臺(tái)州 317000）

針對(duì)采用脈沖激光點(diǎn)焊的6063鋁合金焊點(diǎn)拉力較低，無(wú)法滿足實(shí)際需求的問(wèn)題，研究6063鋁合金激光焊接的最優(yōu)工藝方案，以提升焊點(diǎn)拉力。采用單模光纖激光對(duì)6063鋁合金進(jìn)行焊接，通過(guò)極細(xì)的線寬組成螺旋點(diǎn)，代替單個(gè)脈沖激光點(diǎn)焊。對(duì)激光功率、焊接速度及離焦量等工藝參數(shù)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，得到最佳工藝參數(shù)，并通過(guò)分析焊縫外觀與微觀組織，解釋焊點(diǎn)拉力提升的原因。當(dāng)激光功率為70 W，焊接速度為100 mm/s，離焦量為0時(shí)，焊點(diǎn)拉力達(dá)到最大的65 N，此時(shí)的工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。6063鋁合金單模激光焊點(diǎn)拉力是脈沖激光焊點(diǎn)拉力的3倍。單模光纖激光螺旋線焊接時(shí)，激光能量在光斑范圍內(nèi)均勻分布，且有較大的功率密度，形成焊縫表面與焊縫底部寬度幾乎一致的焊縫形狀，有利于提高焊點(diǎn)拉力，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

6063鋁合金；單模激光器；激光焊接；拉力

鋁合金材料具有比重輕、強(qiáng)度高、易于加工成形、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航空航天、五金、汽車(chē)等行業(yè)得到廣泛使用[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)鋁合金焊接的焊縫質(zhì)量及生產(chǎn)效率提出了更高要求。激光焊接具有能量密度高、總體熱量輸入少、焊接后變形量小、與工件非接觸容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4-13]。

鋁合金對(duì)激光的反射率高，需要較高的激光能量才能實(shí)現(xiàn)焊接，另外鋁合金中的低熔點(diǎn)元素如Mg，Zn等容易發(fā)生燒損，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度降低，影響實(shí)際使用[14-15]。6063鋁合金強(qiáng)度高，耐摩擦性能好，是一種應(yīng)用前景廣闊的鋁合金材料，目前對(duì)6063鋁合金激光焊接的研究報(bào)道較少，僅有吳世凱等[16]采用3500 W的CO2激光器，對(duì)厚度為5 mm的AA6063-T6鋁合金板材進(jìn)行焊接的報(bào)道，他們通過(guò)填充焊絲，使焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的90%。對(duì)于薄板（厚度小于1.0 mm）6063鋁合金激光焊接，未見(jiàn)有報(bào)道，薄板材料一般采用Nd: YAG激光器進(jìn)行點(diǎn)焊，這樣可以降低熱變形，以及提高生產(chǎn)效率，但焊點(diǎn)拉力較低，無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。隨著激光器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，單模光纖激光器技術(shù)越來(lái)越成熟，光束質(zhì)量也越來(lái)越好，對(duì)提高焊點(diǎn)拉力有較大幫助。

文中采用1000 W單模光纖激光器焊接螺旋線，形成焊點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，得到焊點(diǎn)拉力最大的效果，并且與脈沖激光點(diǎn)焊的焊點(diǎn)拉力進(jìn)行對(duì)比研究，為實(shí)際工程應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 焊接實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

材料為鋁合金材料，牌號(hào)為6061，厚度為0.5 mm，材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。將材料切割成200 mm×100 mm的板材，用酒精、水清洗干凈，備用。焊接方式為搭接，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.2 設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用IPG公司生產(chǎn)的單模光纖激光器進(jìn)行焊接，光纖直徑為0.14 μm，平均功率為1000 W，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由激光器、電腦、光路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，如圖1a所示。激光被掃描振鏡片反射，并且通過(guò)F物鏡焦于工作平面，振鏡片在/電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，在平面內(nèi)形成各種軌跡，如圓形、矩形、直線、螺旋線等，在經(jīng)過(guò)F物鏡聚焦后，光斑大小約為0.28 mm，光路系統(tǒng)示意圖如圖1b所示。脈沖激光點(diǎn)焊采用500 W的Nd: YAG激光器，峰值功率達(dá)到8000 W，激光束經(jīng)過(guò)光路系統(tǒng)聚焦后，光斑大小約為0.4～1.0 mm。采用濟(jì)南華興實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電子拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)（規(guī)格型號(hào)：WDH-10）對(duì)焊縫進(jìn)行拉力測(cè)試。采用金相顯微鏡對(duì)焊縫外觀進(jìn)行測(cè)試，品牌為北京北極星辰，型號(hào)為XJB200。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 激光焊接工藝實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 焊接圖形設(shè)計(jì)及外觀對(duì)比

脈沖激光點(diǎn)焊采用500 W的Nd: YAG激光器進(jìn)行焊接，焊接范圍要求為0.6～0.8 mm，脈沖激光點(diǎn)焊的聚焦光斑大小剛好滿足，激光發(fā)出一個(gè)脈沖，作用在材料上，形成一個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)示意圖如圖2a所示。

單模光纖激光器的聚焦光斑由于只有0.28 mm，激光束通過(guò)運(yùn)行一個(gè)螺旋線，形成焊點(diǎn)，螺旋線的直徑為0.8 mm，螺旋線的圈數(shù)為4，每個(gè)圈之間有一定的激光重疊率，形成直徑為0.8 mm的激光焊點(diǎn)，焊點(diǎn)示意圖如圖2b所示。脈沖激光點(diǎn)焊的外觀如圖2c所示，螺旋線形成的焊點(diǎn)外觀如圖2d所示，兩者的焊點(diǎn)大小幾乎一致，外觀上無(wú)明顯差異。

圖2 焊點(diǎn)示意及外觀

2.2 工藝參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)

脈沖激光點(diǎn)焊的主要工藝參數(shù)為激光峰值功率、脈沖寬度、離焦量，對(duì)0.5 mm的6061鋁合金進(jìn)行激光焊接工藝預(yù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光峰值功率為2400 W時(shí)，峰值功率較小，焊點(diǎn)拉力較小，為3 N；當(dāng)激光峰值功率為3600 W時(shí)，焊縫表面有飛濺，焊點(diǎn)拉力也較低，為4 N。當(dāng)脈沖寬度為3 ms時(shí)，焊點(diǎn)直徑較小，拉力值較小，為3 N；當(dāng)脈沖寬度為9 ms時(shí)，焊點(diǎn)直徑為0.9 mm，超過(guò)了0.6～0.8 mm的焊接范圍。當(dāng)離焦量為0時(shí)，由于功率密度較大，焊縫有飛濺，外觀無(wú)法滿足要求；當(dāng)離焦量為6 mm時(shí)，由于功率密度急劇降低，焊點(diǎn)拉力較小，為4 N。三因素三水平如表2所示。

表2 脈沖激光點(diǎn)焊因素水平表

單模光纖激光螺旋線焊接的主要工藝參數(shù)為激光平均功率、焊接速度以及離焦量，當(dāng)激光平均功率為500 W時(shí)，焊點(diǎn)拉力較小，為4 N；當(dāng)激光平均功率900 W時(shí)，有部分材料飛濺，焊點(diǎn)拉力也較小，為3 N。當(dāng)焊接速度為90 mm/s時(shí)，熱量累積過(guò)大，材料有燒蝕現(xiàn)象，焊點(diǎn)拉力較低，為5 N；當(dāng)焊接速度為170 mm/s時(shí)，熱量累積較小，焊接寬度深度均較小，焊點(diǎn)拉力較小，為4 N。當(dāng)離焦量為0，于功率密度較大，焊縫有飛濺，無(wú)法達(dá)到外觀要求；當(dāng)離焦量為6 mm時(shí)，由于功率密度急劇降低，焊點(diǎn)拉力較小，為4 N。三因素三水平如表3所示。

表3 單模光纖激光螺旋線焊接因素水平表

脈沖激光點(diǎn)焊的三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)共9組，當(dāng)峰值功率為3000 W，脈沖寬度為8 ms，離焦量為1 mm時(shí)，焊點(diǎn)拉力達(dá)到最高的17 N，為最佳工藝參數(shù)。

激光峰值功率因素A取水平1（A=2500 W）的共有3組實(shí)驗(yàn)，將這3組實(shí)驗(yàn)的焊點(diǎn)拉力累加，得統(tǒng)計(jì)量1=35，取水平2得到焊點(diǎn)拉力累加，得統(tǒng)計(jì)量2=46，取水平3得到焊點(diǎn)拉力累加，得統(tǒng)計(jì)量3=33，統(tǒng)計(jì)量值越大，說(shuō)明因素在該水平下拉力值越大，2值最大，表明因素A取水平2（A=3000 W）時(shí)，焊點(diǎn)拉力值最大；同理，得到其他因素（脈沖寬度、離焦量）的焊點(diǎn)拉力統(tǒng)計(jì)量值，如表4所示。極差值用表示，值越小，表明該因素對(duì)焊點(diǎn)拉力的影響越??；反之，值越大，表明該因素對(duì)焊點(diǎn)拉力的影響越大。從表4可以看出，對(duì)焊點(diǎn)拉力影響的因素由主到次依次為：峰值功率，脈沖寬度，離焦量。

表4 脈沖激光點(diǎn)焊正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單模光纖激光螺旋線焊接的三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)共9組，當(dāng)平均功率為3000 W，焊接速度為160 mm/s，離焦量為1 mm時(shí)，焊點(diǎn)拉力達(dá)到最高的47 N，為最佳工藝參數(shù)。

激光平均功率因素取水平1（A=600 W）的共有3組實(shí)驗(yàn)，將這3組焊點(diǎn)拉力累加，得統(tǒng)計(jì)量1=98，同理得到其他因素的拉力值統(tǒng)計(jì)量，如表5所示，其中為極差值，由極差值可知，影響焊點(diǎn)大小的因素由主到次依次為離焦量、平均功率、焊接速度。

2.3 焊縫外觀及微觀組織分析

圖3a為脈沖激光點(diǎn)焊在最佳工藝參數(shù)條件下的焊點(diǎn)切片，焊縫表面的寬度大，隨著熔深的增加，焊縫寬度減小，在上下2層材料之間的焊縫寬度約為焊點(diǎn)表面寬度的1/3，這是因?yàn)槊}沖激光的能量在0.8 mm的光斑范圍內(nèi)主要分布在光斑中心，光斑邊緣的能量較低，只能熔化材料表面，而不能繼續(xù)往下穿透，形成了上面寬、下面窄的焊縫。圖3b為單模光纖激光螺旋焊接在最佳工藝參數(shù)條件下的焊點(diǎn)切片，焊縫表面的寬度與脈沖激光點(diǎn)焊的寬度基本一致，隨著熔深的增加，焊縫寬度沒(méi)有明顯減小，在上下2層材料之間的焊縫寬度幾乎和焊點(diǎn)表面寬度一樣，這是因?yàn)椴捎脝文９饫w激光螺旋焊接時(shí)，單模光纖激光的聚焦光斑為0.28 mm，激光能量在光斑范圍內(nèi)均勻分布，且有較大的功率密度，在螺旋線最外圈，激光能量足以將材料熔透，形成焊縫表面與焊縫底部寬度幾乎一致的焊縫形狀。在拉力測(cè)試時(shí)，受力位置主要為上下2層材料之間的焊縫寬度，寬度越大，焊點(diǎn)的拉力越大，單模光纖激光螺旋焊縫在上下2層材料之間的焊縫寬度為脈沖激光點(diǎn)焊焊縫寬度的3倍，因此單模光纖激光螺旋焊接的焊點(diǎn)拉力也是脈沖激光點(diǎn)焊的3倍。

表5 單模螺旋焊接正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 焊點(diǎn)切片

圖4a為6061鋁合金母材金相組織，晶粒大小不均勻，形狀不規(guī)則且晶粒較為粗大，為典型的α-Al組織。圖4b為激光脈沖點(diǎn)焊在最佳工藝參數(shù)條件下的焊縫中心顯微組織，為鋁合金樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸相對(duì)6061鋁合金母材，得到明顯的細(xì)化，這是因?yàn)榧す饷}沖點(diǎn)焊對(duì)鋁合金材料進(jìn)行快速加熱和快速冷卻，使焊縫晶粒細(xì)化。圖4c為單模光纖激光螺旋焊接在最佳工藝參數(shù)下的焊縫中心顯微組織，為鋁合金樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸相對(duì)激光脈沖激光點(diǎn)焊的金相組織沒(méi)有明顯差異。

圖4 焊點(diǎn)微觀組織

3 結(jié)論

分別采用脈沖激光點(diǎn)焊和單模光纖激光螺旋焊接的方式對(duì)6063鋁合金進(jìn)行搭接焊接，并且進(jìn)行正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，脈沖激光點(diǎn)焊的焊點(diǎn)拉力最高達(dá)到17 N，最佳工藝參數(shù)如下：峰值功率為3000 W，脈沖寬度為8 ms，離焦量為1 mm；單模光纖激光螺旋線焊接的焊點(diǎn)拉力最高達(dá)到47 N，最佳工藝參數(shù)如下：平均功率為3000 W，焊接速度為160 mm/s，離焦量為1 mm。

脈沖激光點(diǎn)焊和單模光纖激光螺旋焊接在最佳工藝參數(shù)條件下的外觀幾乎一致，無(wú)明顯區(qū)別；金相組織及晶粒尺寸沒(méi)有明顯差異。單模光纖激光螺旋焊縫在上下2層材料之間的焊縫寬度為脈沖激光點(diǎn)焊焊縫寬度的3倍，因此單模光纖激光螺旋焊接的焊點(diǎn)拉力也是脈沖激光點(diǎn)焊的3倍。

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Single-Mode Fiber Laser Welding Process of 6063 Aluminum Alloy

LYU Zhi-chao1, HONG Yang1, ZHAO Guo-jiang2

(1. Taizhou Vocational College of Science and Technology, Taizhou 318020, China; 2. Zhejiang Bondlye Environmental Technology Co., Ltd., Taizhou 317000, China)

The work aims to study the optimum laser welding process scheme for 6063 aluminum alloy to improve the tension of welding spot in view of that the tension of 6063 aluminum alloy spot-welded by pulse laser is low and fails to meet the actual needs. The single-mode fiber laser was used to weld 6063 aluminum alloy, and the spiral spots were formed by extremely fine line to replace single pulse laser spot welding. The orthogonal experiment was carried out to laser power, welding speed and defocus to obtain the optimum parameters. Through the analysis on the appearance and microstructure of the weld, the reason for the increase of the welding spot tension was explained. When laser power was 70 W, welding speed was 100 mm/s, and defocus was 0, the tension of spots reached the maximum 65 N, and the process parameters were the best. The tension of single-mode laser welding spot was 3 times that of pulse laser welding spot. In welding with single-mode fiber spiral laser, the laser energy is evenly distributed in the spot range and has a large power density, forming a weld shape with the weld surface width almost the same as that of the weld bottom, which is conducive to improving the tension of welding spot and providing technical reference for actual production.KEY WORDS: 6063 aluminum alloy; single-mode fiber laser; laser welding; tension

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.020

TG456.7

A

1674-6457(2022)01-0159-06

2021-05-06

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC0211200）；臺(tái)州市科技計(jì)劃（2003gy36）

呂志超（1987—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、焊接工藝分析。