6061鋁合金激光穿透焊的焊縫成形

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 許 飛 陳 俐 郭路云

與常規(guī)熔焊方法相比，激光焊接具有能量密度集中、熱輸入低、焊接變形和殘余應(yīng)力小、接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化柔性高效作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，因此更加適合于鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接[1-2]。大功率高亮度光纖激光是2002年以后發(fā)展起來(lái)的新型激光。與YAG激光相比，光纖激光具有更好的光束質(zhì)量和激光亮度[2]。光纖激光的亮度比YAG激光高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，且光束可靠性高，光電轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)25%～30%[3]，故光纖激光具有更高的輸出功率和更小的聚焦光斑，即激光的功率密度很高。光纖激光是激光技術(shù)發(fā)展的飛躍，更加促進(jìn)了激光焊接技術(shù)的發(fā)展[2]。目前，采用YAG激光或光纖激光對(duì)鋁合金的焊接性方面的研究相對(duì)較多[4-8]，而對(duì)這2種方法的對(duì)比研究相對(duì)較少。因此，開(kāi)展此方面的研究，對(duì)推動(dòng)光纖激光焊接技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，激光焊接接頭的力學(xué)性能一直是研究技術(shù)人員關(guān)注的對(duì)象，而焊縫橫截面宏觀形貌（形狀）與焊接質(zhì)量、焊接參數(shù)合理性、焊接參數(shù)控制穩(wěn)定性以及接頭力學(xué)性能都具有密切的聯(lián)系[8-10]。因此，開(kāi)展焊接參數(shù)對(duì)焊縫橫截面宏觀形貌的影響研究，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)材料為2.5mm厚6061-T651鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。6061鋁合金是Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度，其耐蝕性能好，成形性和工藝性能良好，在航空航天和現(xiàn)代建筑等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。鋁合金板材被加工成200mm×100mm，焊前用化學(xué)清洗方法徹底去除試板表面的油污和氧化膜。

試驗(yàn)采用YLS-5000型光纖激光器和HL3006D型YAG激光器，激光器的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。激光通過(guò)光纖傳輸并反射聚焦于工件表面。焊接過(guò)程中工作臺(tái)靜止，由ABB機(jī)械手帶動(dòng)激光頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光焊接。為減小反射光對(duì)激光器和外光路光學(xué)元件的損害，焊接過(guò)程中激光頭的中軸線逆著焊接方向偏轉(zhuǎn)10°，同時(shí)通入2路純氬氣保護(hù)熔池和焊縫高溫區(qū)的正反面成形。所有焊接的離焦量均采用零。焊接試驗(yàn)采用平板堆焊方式。金相試樣從焊縫中截取，經(jīng)2%～3%的NaOH堿溶液腐蝕后，采用Olympus S231TR體式顯微鏡觀察接頭橫截面形貌。在焊接工藝基礎(chǔ)上，對(duì)比光纖激光和YAG激光對(duì)6061鋁合金焊縫成形的影響。

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

表2 激光器的主要技術(shù)指標(biāo)

2 不同激光作用下的焊縫成形

分別采用光纖激光和YAG激光對(duì)6061鋁合金母材開(kāi)展激光焊接試驗(yàn)，獲得的焊縫橫截面形貌如圖1所示（1.5m/min，3kW）?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同焊接參數(shù)條件下，光纖激光焊縫橫截面呈現(xiàn)X形，而YAG激光焊縫橫截面為釘頭形。這與激光的功率密度密切相關(guān)。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)光纖激光的功率密度約為4.87×106W/cm2，而YAG激光的功率密度僅為1.06×106W/cm2。當(dāng)激光的功率密度高于106W/cm2時(shí)，激光可以使金屬瞬間熔化、汽化，并逐漸形成“小孔效應(yīng)”深熔焊接[11]。當(dāng)熔池貫穿母材壁厚時(shí)，即形成穿透焊接。在較高能量密度的光纖激光作用下，母材更易于實(shí)現(xiàn)穿透焊接，而且焊接小孔能夠始終保持貫穿熔池狀態(tài)。此時(shí)，焊接小孔和作用于熔池上、下表面附近的高溫金屬蒸氣/等離子體的熱輻射可以看作是“兩點(diǎn)一線”熱源[12]，故光纖激光焊縫橫截面更易于形成近X形。而在YAG激光作用下，雖然可以實(shí)現(xiàn)熔池穿透，但卻無(wú)法維持小孔的穩(wěn)定穿透，而瞬間的小孔穿透，無(wú)法為熔池下表面提供足夠的高溫金屬蒸氣/等離子體，故此時(shí)也僅能認(rèn)為是“一點(diǎn)一線”熱源，故在YAG激光作用下，更趨向于生成釘頭形焊縫形貌。

圖1 不同光源作用下的接頭橫截面形貌Fig.1 Cross-section shaping of joints by different light sources

3 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)激光功率恒定時(shí)，焊接速度對(duì)焊縫橫截面形貌的影響如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用高功率密度的光纖激光焊接，激光功率為3kW時(shí)，焊接速度在較大的范圍內(nèi)（1.5～4.5 m/min）變化均可以獲得穩(wěn)定全熔透焊縫。而YAG激光焊接速度僅能在0.8～1.8m/min范圍內(nèi)獲得穩(wěn)定全熔透焊縫。當(dāng)光纖激光焊接速度低于1.5m/min，或YAG激光焊接速度低于0.8m/min時(shí)，焊縫表面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的焊塌，進(jìn)而影響接頭表面質(zhì)量。當(dāng)光纖激光焊接速度高于4.5m/min或YAG激光焊接速度高于1.8m/min時(shí)，激光焊接雖然繼續(xù)保持“小孔效應(yīng)”深熔焊接，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定全熔透焊接，焊縫內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量氣孔[13]，焊接接頭質(zhì)量明顯惡化。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接速度增大時(shí)，光纖激光焊縫橫截面形貌逐漸由近X形向釘頭形轉(zhuǎn)變，而YAG激光焊縫橫截面形貌的釘頭形特征更加明顯。

圖2 焊接速度對(duì)焊縫橫截面形貌的影響Fig.2 Effect of welding speed on weld cross-section shaping

當(dāng)采用較高的激光功率（4.5kW）時(shí)，焊接速度對(duì)光纖激光焊縫橫截面形貌的影響如圖3所示。與圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率較高時(shí)，光纖激光焊縫生成近X形截面的工藝區(qū)間更大（1.5～6m/min）；當(dāng)激光功率較低時(shí)，光纖激光焊縫生成釘頭形截面的工藝區(qū)間更大（3～4.5m/min）。故當(dāng)激光功率較高時(shí)，光纖激光焊縫更趨向于生成近X形截面形貌。而YAG激光受激光器額定功率限制，無(wú)法輸出更高的激光功率，故更易于生成釘頭形焊縫截面形貌。

4 激光功率對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)焊接速度恒定（3m/min）時(shí)，激光功率對(duì)光纖激光焊縫橫截面形貌的影響如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的逐漸增加，焊縫橫截面逐漸由釘頭形向近X形轉(zhuǎn)變。當(dāng)激光功率高于某一閾值且逐漸增加時(shí)，焊接小孔始終貫穿熔池，并且在熔池下表面附近形成越來(lái)越強(qiáng)烈的高溫金屬蒸氣/等離子體，故焊縫橫截面的近X形特征也愈加明顯。

圖3 焊接速度對(duì)光纖焊縫橫截面形貌的影響Fig.3 Effect of welding speed on weld cross-section shaping by fiber laser beam

5 焊接熱輸入對(duì)焊縫成形的影響

焊接熱輸入是激光功率和焊接速度的比值，用來(lái)表征焊接過(guò)程中的能量輸入。從焊接速度和激光功率對(duì)焊縫橫截面形貌的影響分析發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度的逐漸降低或激光功率的逐漸增加，即焊接熱輸入的逐漸增大，激光焊縫橫截面形貌逐漸由釘頭形向近X形轉(zhuǎn)變。與YAG激光焊接不同的是，光纖激光焊縫橫截面為近X形時(shí)，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定，更易于獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接接頭。

6 結(jié)論

（1）由于光纖激光的功率密度比YAG激光高，故光纖激光更易于保持熔池的小孔穿透焊接，也更趨向于生成近X形橫截面的焊縫形貌。而YAG激光易于生成釘頭形橫截面的焊縫形貌。

圖4 激光功率對(duì)光纖焊縫橫截面形貌的影響Fig.4 Effect of laser power on weld cross-section shaping by fiber laser beam

（2）與YAG激光相比，光纖激光焊接時(shí)獲得穩(wěn)定全熔透焊縫的工藝區(qū)間更大。當(dāng)焊接速度增大或激光功率降低時(shí)，光纖激光焊縫橫截面形貌逐漸由近X形向釘頭形轉(zhuǎn)變，而YAG激光焊縫橫截面形貌的釘頭形特征更加明顯。當(dāng)激光功率較高時(shí)，光纖激光焊縫更趨向于生成近X形截面形貌。

（3）焊縫成形受激光功率密度和焊接熱輸入雙重因素的影響。

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