曹忠民，劉笑笑，李宏策

Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接對(duì)鋁合金焊縫組織和性能的影響

曹忠民，劉笑笑，李宏策

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000）

提高鋁合金的焊縫抗拉強(qiáng)度，解決鋁合金焊接過程中的裂紋缺陷。采用脈沖Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接鋁合金，先用Nd：YAG激光形成焊接熔池，然后用半導(dǎo)體激光對(duì)熔池進(jìn)行加熱保溫，獲得無裂紋的焊縫，并對(duì)焊縫進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試。與單獨(dú)的Nd：YAG激光焊接相比，Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接的鋁合金焊縫抗拉強(qiáng)度提高了50%，達(dá)到193 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的90%。2束激光的結(jié)合延長(zhǎng)了熔池的冷卻凝固時(shí)間，從而有效避免了熱裂紋，減少了焊接缺陷，提高了焊接質(zhì)量。

半導(dǎo)體激光；Nd：YAG激光；鋁合金；激光焊接

激光焊接具有生產(chǎn)高率、焊接質(zhì)量好、焊接速度快、焊縫深寬比大、熱輸入低、變形小、制造靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在材料焊接領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多[1-7]。激光焊接有脈沖焊接和連續(xù)焊接2種方式，與連續(xù)激光焊接相比，脈沖激光焊接的熱輸入相對(duì)較少，焊接后產(chǎn)品形變也較小，更適合薄板材料的精密焊接[8-10]。其中Nd：YAG激光器是一種傳統(tǒng)的激光器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率穩(wěn)定性好、使用成本低等優(yōu)勢(shì)[11-12]，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器一般為連續(xù)激光器（連續(xù)出光），具有電光轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢(shì)[13-14]，在材料加工領(lǐng)域有極大優(yōu)勢(shì)。

鋁合金由于熱膨脹系數(shù)高、凝固溫度范圍寬，在熔焊過程中容易產(chǎn)生熱裂紋[15-18]。鋁合金對(duì)凝固裂紋的敏感性受焊縫金屬成分、焊接工藝參數(shù)等因素的影響，較高的凝固速率會(huì)增加裂紋產(chǎn)生的概率。Hassan等[19]采用Nd：YAG和CO2復(fù)合的激光束對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接，對(duì)熱學(xué)模型進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)增加CO2輔助加熱后，熔池降溫的速率降低，有利于得到無裂紋的焊縫。鋁合金對(duì)CO2激光（波長(zhǎng)為10 μm左右）的吸收率較低，低于3%，而且CO2激光的光束無法通過光纖傳輸，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)為800～1 100 nm，鋁合金對(duì)半導(dǎo)體激光的吸收率較高，為30%左右，半導(dǎo)體激光的光束可以利用光纖進(jìn)行傳輸，和Nd：YAG一樣，可以很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。截至目前，未見有采用Nd：YAG激光和半導(dǎo)體激光復(fù)合的焊接方法對(duì)6061鋁合金進(jìn)行焊接的報(bào)道出現(xiàn)。

文中先采用Nd：YAG激光焊接鋁合金，后用半導(dǎo)體激光對(duì)焊縫進(jìn)行加熱，這種方式降低了焊縫的冷卻速度，減少了鋁合金的焊接熱裂紋，提高了焊縫的抗拉強(qiáng)度，可以為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料為厚度0.5 mm的6061鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。將材料切割成200 mm×100 mm的板材。由于鋁合金表面容易產(chǎn)生致密的高熔點(diǎn)氧化鋁薄膜，需要用砂紙對(duì)其打磨，以去掉氧化層，然后用酒精、水清洗干凈備用。焊接方式為拼接，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。6061鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度為205 MPa，焊縫的抗拉強(qiáng)度需要達(dá)到母材的90%以上，才能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy wt.%

1.2 設(shè)備

使用脈沖Nd：YAG激光和連續(xù)半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接6061鋁合金。先利用Nd：YAG激光對(duì)材料進(jìn)行焊接，形成焊縫，再利用半導(dǎo)體激光對(duì)焊縫進(jìn)行持續(xù)加熱，焊點(diǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。脈沖Nd：YAG激光器的聚焦光斑直徑為400 μm，最大平均功率為500 W，峰值功率為8 000 W，脈沖寬度為0.2～50 ms，脈沖頻率為1～500 Hz，激光波長(zhǎng)為1 064 nm。半導(dǎo)體激光器的聚焦光斑直徑約為3 mm，最大平均功率為1 000 W，波長(zhǎng)為915 nm。將Nd：YAG激光器和半導(dǎo)體激光器的加工頭固定在一起，在/直線模組的帶動(dòng)下，利用激光束對(duì)工件進(jìn)行加熱焊接形成焊縫。

圖1 焊點(diǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.3 焊縫抗拉強(qiáng)度測(cè)試

將焊接試樣切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖2a所示，將試樣兩端夾住，測(cè)試焊縫的拉力。采用廣東威邦儀器科技股份有限公司生產(chǎn)的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)為WBE–9909）對(duì)焊縫進(jìn)行拉力測(cè)試，試驗(yàn)機(jī)的最大拉力值為200 kN，拉力測(cè)試儀器如圖2b所示。焊縫的抗拉強(qiáng)度=拉力值/焊縫面積，其中焊縫面積=焊縫寬度×焊縫長(zhǎng)度。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次測(cè)試3個(gè)樣品，取其平均值。

圖2 焊縫抗拉強(qiáng)度測(cè)試

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.1 激光焊接工藝試驗(yàn)

影響Nd：YAG激光焊接效果的主要工藝參數(shù)為峰值功率、脈沖時(shí)間、激光頻率、焊接速度，對(duì)這4個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行四因素四水平正交試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了16組試驗(yàn)如表2所示。采用拉力機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，以得到焊縫抗拉強(qiáng)度最大時(shí)的焊接工藝參數(shù)。Nd：YAG激光焊接的最佳工藝參數(shù)如下：峰值功率為3 000 W，脈沖寬度為5 ms，頻率為20 Hz，焊接速度為5 mm/s。此時(shí)6061鋁合金的焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大的105 MPa，但是該值只有母材抗拉強(qiáng)度的50%左右（6061鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度為205 MPa），這是因?yàn)楹缚p內(nèi)部裂紋的存在，降低了焊縫的抗拉強(qiáng)度。在Nd：YAG激光焊接最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，加入半導(dǎo)體激光進(jìn)行復(fù)合焊接，保持焊接速度5 mm/s不變。對(duì)半導(dǎo)體激光焊接功率進(jìn)行單因素優(yōu)化試驗(yàn)，在Nd：YAG激光焊接工藝參數(shù)為峰值功率3 000 W、脈沖寬度5 ms、頻率20 Hz、焊接速度5 mm/s的條件下，當(dāng)半導(dǎo)體激光焊接功率為500 W時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大的193 MPa，達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的90%，此時(shí)焊縫內(nèi)部無裂紋等缺陷，焊縫抗拉強(qiáng)度比單獨(dú)采用Nd：YAG激光焊接得到的抗拉強(qiáng)度提高了40%，達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)要求，且抗拉強(qiáng)度優(yōu)于楊得帥[20]的研究結(jié)果（6061鋁合金激光焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為158 MPa，約為母材的51.5%）。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Results of orthogonal experiment

圖3a為采用Nd：YAG激光焊接6061鋁合金的焊縫外觀圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用峰值功率為3 000 W、脈沖寬度為5 ms、頻率為20 Hz、焊接速度為5 mm/s的工藝參數(shù)焊接時(shí)，焊縫呈現(xiàn)魚鱗紋狀態(tài)，表面有明顯的裂紋存在，這可能是因?yàn)樵贜d：YAG激光焊接過程中，焊縫由多個(gè)焊點(diǎn)疊加組成，在每個(gè)焊點(diǎn)的形成過程中，焊點(diǎn)周圍溫度梯度較大，在熔池凝固過程中容易產(chǎn)生熱裂紋。圖3b為Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接的效果。保持Nd：YAG激光焊接的參數(shù)不變，當(dāng)半導(dǎo)體激光器的功率設(shè)置為500 W時(shí)，焊縫表面依然呈現(xiàn)魚鱗紋狀態(tài)，焊縫表面未見有裂紋產(chǎn)生。這可能是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光焊接為連續(xù)出光焊接，熔池在焊縫方向均勻推進(jìn)，且焊縫的溫度梯度較小，在熔池冷卻凝固過程中不容易產(chǎn)生熱裂紋。

圖3 焊接外觀圖

2.2 焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

對(duì)焊縫進(jìn)行切片分析，觀測(cè)焊縫內(nèi)部狀態(tài)。圖4a為采用Nd：YAG激光焊接6061鋁合金的焊縫內(nèi)部切片，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工藝參數(shù)為峰值功率3 000 W、脈沖寬度5 ms、頻率20 Hz、焊接速度5 mm/s時(shí)，焊縫內(nèi)部有明顯的裂紋產(chǎn)生。圖4b為Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接的切片，可以發(fā)現(xiàn)，在Nd：YAG激光器的參數(shù)保持不變、半導(dǎo)體激光器的功率設(shè)置為500 W的情況下，焊縫內(nèi)部未見有裂紋產(chǎn)生。這可能是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光對(duì)焊縫有持續(xù)加熱作用，降低了焊縫的冷卻速率，延長(zhǎng)了熔池的凝固時(shí)間，減少和消除了凝固裂紋。

圖4 焊縫切片

2.3 焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析

圖5a為Nd：YAG激光焊接焊縫中心區(qū)域的顯微組織，可以發(fā)現(xiàn)，組織為等軸晶，晶粒比較細(xì)小。圖5b為Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接焊縫中心區(qū)域的顯微組織，可以發(fā)現(xiàn)，組織也為等軸晶，與圖5a相比，該區(qū)域晶粒明顯增大，這是因?yàn)椴捎冒雽?dǎo)體激光對(duì)焊縫持續(xù)加熱，降低了熔池冷卻凝固的速度，使等軸晶有充分的時(shí)間進(jìn)行長(zhǎng)大。圖5c為Nd：YAG激光焊接熔合區(qū)的顯微組織，可以發(fā)現(xiàn)，組織為柱狀晶。圖5d為Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接熔合區(qū)的顯微組織，可以發(fā)現(xiàn)，組織為柱狀晶，與圖5c相比，該區(qū)域晶粒明顯增大，說明半導(dǎo)體激光對(duì)焊縫的持續(xù)加熱，降低了熔池冷卻凝固的速度，也使柱狀晶有充分的時(shí)間進(jìn)行長(zhǎng)大，顯微組織晶粒隨之變大。Nd：YAG激光焊接采用了脈沖激光方式，即整個(gè)焊接過程為時(shí)斷時(shí)續(xù)的加熱過程，這使焊縫中心區(qū)域的等軸晶以及熔合區(qū)的柱狀晶晶粒均較小，而且焊縫金屬受到應(yīng)力的反復(fù)作用，這容易使焊縫中薄弱的低熔點(diǎn)共晶區(qū)域被拉開，產(chǎn)生結(jié)晶熱裂紋，會(huì)降低鋁合金焊縫接頭的抗拉強(qiáng)度。Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接可以降低熔池的凝固速度，使焊縫中心區(qū)域的等軸晶以及熔合區(qū)的柱狀晶晶粒均變大，同時(shí)沒有對(duì)焊縫金屬施加反復(fù)的應(yīng)力作用，因此避免了結(jié)晶熱裂紋的產(chǎn)生，有利于提高焊縫的力學(xué)性能。

圖5 焊縫顯微組織形貌

2.4 焊縫顯微硬度分析

采用顯微硬度儀分別對(duì)Nd：YAG激光焊接焊縫以及Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接焊縫的硬度進(jìn)行測(cè)試分析，其結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，從焊縫中心到母材，硬度逐漸增加，焊縫中心處硬度最低，鋁合金母材的硬度最高，這是因?yàn)樵诩す夂附舆^程中，激光產(chǎn)生的熱量對(duì)母材進(jìn)行了熱處理并產(chǎn)生了強(qiáng)化作用，而焊縫中心以及熱影響區(qū)存在“過時(shí)效”軟化現(xiàn)象，這會(huì)使硬度降低。

圖6 焊接接頭顯微硬度分布圖

Nd：YAG激光焊接焊縫顯微硬度平均值為80HV，最小值約為70HV，相對(duì)高于Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接焊縫的硬度（平均值為70HV，最小值約為60HV），這是因?yàn)樵谝欢ㄋ俣认拢?dāng)Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接時(shí)，作用在材料上的激光能量相對(duì)較多，熱輸入較大，這容易引起強(qiáng)化作用消失，從而導(dǎo)致硬度降低。

2.5 斷口形貌及元素分析

對(duì)Nd：YAG激光焊接焊縫以及Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接焊縫的拉伸斷口形貌進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果如圖7所示。圖7a為Nd：YAG激光焊接焊縫的斷口形貌，由圖7a可知，斷口中韌窩數(shù)量較多，而韌窩尺寸相對(duì)較小，這是因?yàn)楹附咏宇^的塑性較差，表現(xiàn)出脆性斷裂的特征，焊縫的抗拉強(qiáng)度較低。圖7b為Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接焊縫的斷口形貌，由圖7b可知，斷口處的韌窩數(shù)量較少，韌窩的尺寸相對(duì)較大，而且韌窩的深度較深，表現(xiàn)為韌性斷裂的特征，與母材的斷口形貌基本一致。這是因?yàn)镹d：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接焊縫中心區(qū)域的等軸晶以及熔合區(qū)的柱狀晶晶粒均較大，使焊縫結(jié)晶度得到強(qiáng)化，有利于焊縫抗拉強(qiáng)度的提高。

圖7 焊縫拉伸斷口形貌

對(duì)斷口斷裂位置的元素成分進(jìn)行分析，其元素含量如表3所示。可以看出，Nd：YAG激光焊接焊縫斷口處的元素除了基材本身元素（Al、Mg、Si、Fe、Ti）之外，還有大量的O元素存在，說明斷口處有含氧量較高的化合物，這些氧化物形成了焊縫微裂紋，在抗拉強(qiáng)度測(cè)試過程中，裂紋首先從這些氧化物所在的位置形成，并擴(kuò)展直至斷裂，使焊縫的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小。Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接焊縫斷口處的O元素含量明顯降低，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的加入，增加了熱輸入，降低了材料熔化和焊縫凝固的速度，使大量O元素有足夠的時(shí)間從熔池中溢出，減少了焊縫中氧化物的存在，降低了焊縫裂紋，有利于提高焊縫的抗拉強(qiáng)度。

表3 斷口處的元素含量

Tab.3 Proportion of elements at the fracture wt.%

3 結(jié)論

1）Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接的鋁合金焊縫抗拉強(qiáng)度可達(dá)193 MPa，超過了母材的90%，焊縫內(nèi)部無裂紋等缺陷，焊縫抗拉強(qiáng)度比單獨(dú)采用Nd：YAG激光焊接的提高了40%，達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)要求。

2）Nd：YAG激光與半導(dǎo)體激光復(fù)合焊接熔合區(qū)的顯微組織為柱狀晶，相比于Nd：YAG激光焊接的熔合區(qū)，晶粒明顯增大，說明半導(dǎo)體激光對(duì)焊縫的持續(xù)加熱，降低了熔池冷卻凝固的速度，減小了凝固過程中熔合區(qū)組織中的應(yīng)力，同時(shí)使熔合區(qū)的柱狀晶有充分的時(shí)間進(jìn)行長(zhǎng)大，顯微組織晶粒隨之變大。

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Effects of Nd: YAG Laser and Diode Laser Hybrid Welding on Microstructure and Properties of Aluminium Alloy Laser Weld

CAO Zhong-min, LIU Xiao-xiao, LI Hong-ce

(Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha 410000, China)

The work aims to improve the tensile strength of aluminum alloy weld and solve the crack defect during welding of aluminum alloy. Pulsed Nd: YAG laser and diode laser hybrid welding was adopted to weld the aluminum alloy. First, the Nd: YAG laser was used to form a welding pool. Then, the pool was heated and kept warm by diode laser to obtain crack-free welds and test the tensile strength of the welds. The tensile strength of aluminium alloy weld left by pulsed Nd: YAG laser and diode laser hybrid welding was 50% higher than that of the single Nd: YAG laser welding, reached to 193 MPa, which was 90% of the tensile strength of the base metal.The combination of laser beam prolongs the cooling and solidification time of the molten pool, thus avoids the hot crack effectively, reduces the number of welding defects and improves the welding quality.

diode laser; Nd: YAG laser; aluminium alloy; laser welding

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.018

TG456.7

A

1674-6457(2022)08-0127-07

2021–09–28

曹忠民（1967—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹附蛹夹g(shù)及應(yīng)用。

責(zé)任編輯：蔣紅晨