文夢蝶，陳苗苗，陳 素，張大斌

（貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽 550000）

1 引言

5G時代的到來推動了智能手機的快速發(fā)展，中框作為智能手機的核心結(jié)構(gòu)件，要求材料具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、良好散熱性等優(yōu)越綜合性能。鋁合金因其密度小、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕等優(yōu)點在手機中框中得到廣泛應(yīng)用，3系鋁合金防銹效果好，5系鋁合金密度低，將兩種材料組合連接后[1]，可以滿足手機中框?qū)p質(zhì)、高強、耐腐蝕等性能的特殊要求，同時延長產(chǎn)品使用壽命。激光焊接因具有連接強度高、熱影響區(qū)小、變形小、焊接效率高、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[2]，已成為連接鋁合金結(jié)構(gòu)件的有效方法，但手機中框通常由不同厚度的異質(zhì)鋁合金組合而成，且焊件厚度薄，因此焊接時易出未焊透或易焊穿的問題，導(dǎo)致焊接接頭質(zhì)量達不到設(shè)計要求[3]。

對于超薄板的焊接，國內(nèi)外專家近年來做了大量的研究，文獻[4]研究的0.1mm純鋁板疊焊表明：熱輸入量會直接影響焊縫間隙，并且隨著焊縫間隙的增大而增大，控制熱輸入量對于質(zhì)量控制有一定的作用，但具體優(yōu)化工藝參數(shù)并未提出。因此文獻[5]對0.25mm 厚5系鋁合金板進行了激光點焊工藝研究，通過改變工藝參數(shù)脈沖持續(xù)時間和峰值功率，得出焊縫熔深及剪切強度測試過程中施加的拉力方向都會影響焊接接頭斷裂的機理。金屬焊接中，焊縫熔深和剪切力大小是表征焊接接頭質(zhì)量的重要指標，焊接過程中熔池成型會直接影響所得焊接接頭的質(zhì)量，于是文獻[6]對微米級金屬板激光焊的熔池成型尺寸進行了相關(guān)研究，得到熔池尺寸與離焦量有關(guān)。

同時文獻[7]對0.56mm及0.85mm厚SS316板材進行激光焊接的參數(shù)優(yōu)化研究后，進一步得到了影響微米級厚激光焊接頭質(zhì)量的重要因素還有激光功率和掃描速度。

現(xiàn)存文獻對于異厚異質(zhì)超薄鋁板激光焊接問題的相關(guān)研究較少，故在無氣體保護條件下，輔助振鏡掃描激光微焊接技術(shù)對0.18mm厚3系列及0.4mm厚5系列鋁板進行搭接焊工藝參數(shù)研究，探討焊接速度、功率和離焦量與剪切力、焊縫有效熔深之間的相關(guān)性。為獲得符合實際生產(chǎn)需求不同厚度異質(zhì)超薄鋁板搭接焊焊接頭質(zhì)量及激光搭接焊工藝奠定基礎(chǔ)。掃描振鏡技術(shù)是通過振鏡擺動實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，改變焦點位置，具有慣性小、速度快等特點[8]，利于超薄板的焊接。

2 工藝試驗

2.1 試驗設(shè)備及材料

試驗材料為0.18mm 厚的3系鋁合金和0.4mm 厚的5系鋁合金，3系鋁合金規(guī)格為（5×10×0.18）mm，5系鋁合金的規(guī)格為（10×15×0.4）mm，兩種母材的化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)百分比經(jīng)光譜儀測定，如表1所示。

表1 材料成分（質(zhì)量分數(shù)%）Tab.1 Composition of Base Metal（Mass Fraction%）

試驗所用設(shè)備主要由YLR?200?WC 激光器，波長1070nm，配置纖徑14μm、場鏡焦距170mm、準直透鏡瑞雷振鏡150mm，輸出功率500W，束腰光斑為15.8μm左右，焊接設(shè)備的裝配關(guān)系，如圖1所示。

2.2 試驗方案

結(jié)合前期研究與現(xiàn)有超薄板焊接工藝方法，確定試驗首先采用單因素法定義工藝窗口中心參數(shù)，之后采用正交試驗法設(shè)計試驗。影響焊接接頭質(zhì)量及焊縫成形其中三個關(guān)鍵因素分別是激光功率、焊接速度、離焦量，故實驗分為：①三個因素對焊點機械強度影響的單因素試驗。②三個因素對焊點機械強度、焊件有效熔深影響的正交試驗。實驗時采用A在上、B在下的搭接方式，激光作用于A表面進行單點焊接（A為3 系鋁合金、B為5 系鋁合金），焊點半徑大小為1.5mm，焊件焊接具體位置，如圖1所示。鋁板上下表層需使用纖維棉質(zhì)紙蘸取少量無水乙醇擦拭，去除污漬和灰塵，并靜置室內(nèi)吹干備用。

室溫（26~28）°下進行單因素試驗，結(jié)合現(xiàn)有工藝與可調(diào)參數(shù)范圍，保持焊接速度為270mm/s，離焦量為0mm時，進行焊接功率為（235~275）W的單因素5水平試驗；保持焊接功率在245W，離焦量為0mm時，進行焊接速度為（225~325）mm/s的單因素5水平試驗；試驗保持焊接功率在245W，焊接速度為250mm/s時，進行離焦量為（?0.5~0.5）時的單因素5水平試驗，且一組工藝參數(shù)下重復(fù)焊接三次，對焊接件進行0°剪切力測試，獲得焊接接頭抗拉伸強度，即剪切力大小，結(jié)合剪切力和焊接接頭焊縫宏觀形貌，分析焊接功率、焊接速度和離焦量對焊件機械強度的影響，定義適宜焊接工藝窗口的中心焊接參數(shù)，得到單因素試驗，如表2所示。

表2 單因素試驗Tab.2 Single Factor Experiment

根據(jù)單因素實驗定義中心焊接工藝參數(shù)設(shè)計正交試驗，正交試驗結(jié)果評價指標有剪切力和有效熔深，且每組工藝參數(shù)焊接6次，取3次進行0°剪切力測試，另取3次進行金相檢測，檢測前需在光學(xué)顯微鏡下觀察焊接板材焊接區(qū)域的宏觀形貌。通過正交試驗分析焊接功率、焊接速度和離焦量對焊點機械強度及焊件熔深的影響，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。

2.3 檢測試驗

2.3.1 剪切力檢測試驗

剪切力大小表征焊件焊接頭的抗拉強度，是衡量焊接頭質(zhì)量的一個重要的指標。單因素、正交試驗均需要對焊件焊接頭抗拉強度進行測試，剪切力測試方式一般分為0°、90°、180°，使用艾德堡拉力測試設(shè)備進行0°剪切力測試方式。剪切力拉伸試驗時，固定焊件B端，勻速拉伸A端，拉伸示意，如圖2所示。

圖2 焊件拉伸示意圖Fig.2 Drawing Diagram of Welding Parts

2.3.2 金相試驗

金屬材料進行焊接后，需要進行金相試驗，以檢測焊件在某種焊接工藝參數(shù)下的熔深大小，熔深對焊接接頭的質(zhì)量起著決定性因素，檢測焊件的有效熔深（處于下層材料的熔深大?。⒑讣胖迷诮鹣嘌心C內(nèi)研磨，磨拋完成后用棉簽棒蘸取酒精洗凈研磨部位，并反復(fù)擦拭腐蝕液（按1：3混合濃度為60%的HNO3溶液和FeCl3溶液），靜置片刻后用顯微鏡測量熔深。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 單因素試驗結(jié)果分析

單因素試驗表明：剪切力隨功率、焊接速度和離焦量變化而變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 各因素與剪切力的關(guān)系Fig.3 Factors and Shear Forces

（1）激光焊接功率的影響

圖3（a）中，焊接速度為270mm/s，離焦量為0mm時剪切力隨著焊接功率的增大而升高，當(dāng)焊接功率達到255W以上時焊接接頭的剪切力變大趨勢變緩且拉伸過程中焊接接頭直接發(fā)生斷裂。這是由于上層材料厚度小于下部材料，持續(xù)輸入激光光束能量密度過大導(dǎo)致上層焊材表面發(fā)生汽化形成凹坑，剪切力試驗拉伸焊件時易在上層材料凹坑處發(fā)生斷裂。

試驗用激光輻射照度可達（2.542×108）W/cm2大于106W/cm2，上層焊材3系鋁在激光作用下熔化，所產(chǎn)生的蒸氣反沖壓力將熔融材料拋出，焊點范圍內(nèi)部分材料瞬時汽化，光束直接作用材料熔化拋出所行成的凹坑處[9]，使3系和5系鋁箔進一步熔化汽化，焊縫熔深逐步加大，導(dǎo)致上下板材之間的粘結(jié)力增大，焊接接頭的機械強度也在逐步增大，部分3系鋁箔材料表面汽化后形成氣體逃逸，焊接接頭表面形成凹坑，導(dǎo)致焊接接頭在進行剪切力拉伸試驗時焊接接頭在3系鋁箔層發(fā)生斷裂，如圖4（b）所示。激光能量輸入持續(xù)增加，焊接材料的表面會因激光束能量過大而繼續(xù)汽化，加劇上部材料氣孔的形成，同時燒穿底部焊接材料5系鋁箔，導(dǎo)致焊接外形不美觀，焊接接頭在進行剪切力試驗時易在3系鋁箔層發(fā)生斷裂，如圖4（a）所示。圖4（c）中焊接路徑較圖4（d）中更為完整，兩種焊接功率參數(shù)下均未發(fā)生斷裂，故取245W 為中心焊接工藝參數(shù)。

圖4 0°剪切力測試后焊接頭處示意圖Fig.4 Weld Joint After 0°Shear Force Test

（2）激光焊接速度的影響

當(dāng)保持焊接功率在245W，離焦量為0mm時，圖3（b）中可以看出剪切力與焊接速度呈負相關(guān)，隨著焊接速度的增大，焊點的剪切力隨之減小，焊點剪切力幾乎與焊接速度成反比，當(dāng)焊接速度大于250mm/s時，剪切力的下降趨勢減緩，故定義中心焊接速度參數(shù)為275mm/s。由于焊件厚度極小，焊接模式為熱傳導(dǎo)模式，當(dāng)焊接速度不斷增大時候，影響熔池內(nèi)的熱量傳導(dǎo)，導(dǎo)致熔深逐漸減小。通過焊縫表面質(zhì)量分析可知，焊接速度減慢時，加快熔池內(nèi)的熱量傳導(dǎo)焊，加大熔深，鋁板蒸汽逸出，激光光束線能量在起始處極易產(chǎn)生發(fā)生塌焊，如圖5所示。

圖5 塌焊現(xiàn)象Fig.5 Flat Welding Phenomenon

（3）激光焊接離焦量的影響

保持焊接功率在245W，焊接速度為250mm/s時，圖3（c）中剪切力隨著離焦量的增大而減小，當(dāng)離焦量大于0mm以后焊接頭的抗拉伸強度迅速降低，并且當(dāng)離焦量為5mm時通過電子顯微鏡觀察到只有淺淺的一層熔深漂浮在上部材料，焊縫有效熔深也為0，焊接完全失效，故微米級薄板的激光焊接不宜使用正離焦，從焊接的宏觀形貌和剪切力數(shù)據(jù)綜合分析，定義中心離焦量參數(shù)為0mm。

3.2 正交試驗

由上述單因素試驗得到焊接功率、焊接速度和離焦量對異厚鋁箔機械強度的影響規(guī)律，針對上下部材料厚度差異導(dǎo)致的焊接強度小的情況，定義了焊接工藝窗口中心焊接工藝參數(shù)分別為245W、275mm/s和0mm。

設(shè)計了三因素四水平正交試驗[10]（L16（43）），其他工藝參數(shù)在試驗過程中保持不變，每組試驗重復(fù)進行六次，三次測試焊件剪切力，其余三次測試焊件有效熔深皆取均值，其因素水平編碼，如表3所示。

表3 實驗因素水平Tab.3 Levels of Experimental Factors

分析計算實驗結(jié)果，用Ki（i=1，2，3，4）評價各因素在i水平下的總剪切力和總有效熔深；ki評價各因素在i水平下的平均剪切力和有效熔深且ki=Ki/4；各因素的極差為R；計算結(jié)果，如表4所示。

表4 正交試驗結(jié)果分析表Tab.4 Analysis Table of Orthogonal Results

表4列出了16組試件剪切力試驗和金相試驗的結(jié)果，焊縫的微觀組織金相圖，如圖6所示。圖6（a）~圖6（c）中，上下板材之間已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的縫隙，一般產(chǎn)生縫隙的原因是焊接過程中兩塊板材之間沒有壓緊，再者是進行金相試驗時，焊件受研磨機研磨擠壓，使得上下板材之間產(chǎn)生縫隙，隨著功率的升高，焊縫熔深明顯增加。

圖6 正交試驗金相圖Fig.6 Orthogonal Test Metallographic Diagram

圖6 中焊接速度不變時，功率越小熔深越小。當(dāng)功率在235W時，熔深小且焊有氣孔和凹陷，這一般是由焊接前試件焊縫處存在的雜質(zhì)導(dǎo)致。當(dāng)功率大于245時，速度在275mm/s時，焊縫熔深達到50μm以上，達到單片母材的厚度，滿足工藝要求。同時從金相圖中可以看出，接頭熔合效果良好，焊接質(zhì)量合格。

通過極差分析表可知，各因素對剪切力和熔深的影響大小分別為C>B>A，C>A>B，剪切力的優(yōu)水平組合為A4B1C3，熔深的優(yōu)水平組合也為A3B2C3。從三個因素對剪切力和熔深的極差分析可知，焊接工藝參數(shù)的最佳組合為A3B2C3，也即焊接功率為255W，離焦量為?0.25mm，速度為250mm/s。

4 結(jié)論

（1）激光焊接異厚異質(zhì)鋁合金超薄板的單因素試驗表明，在給定的工藝參數(shù)下，隨著激光功率的增加，焊件剪切力增加，焊縫質(zhì)量改善；隨著焊接速度的增大，焊件剪切力顯著下降，焊接質(zhì)量降低；相較于正離焦，采用負離焦量能夠獲得更高的焊件剪切力，且焊件剪切力隨負離焦量（0~0.25mm）增大而增加。

（2）正交試驗表明，離焦量對焊接質(zhì)量的影響最大，各因素對焊件剪切力的影響順序為離焦量>焊接速度>焊接功率，對焊件有效熔深的影響順序為離焦量>焊接功率>焊接速度，說明離焦量是影響異厚異質(zhì)鋁合金超薄板激光焊接的關(guān)鍵因素。

（3）極差分析表明，激光焊接0.18mm 厚3 系和0.4mm 厚5系鋁合金的最佳工藝參數(shù)組合為：激光功率245W，焊接速度275mm/s，離焦量為?0.25mm。