激光擺動(dòng)焊接6061鋁合金板材焊縫成形工藝研究*

劉懷亮，周邵巍，馬修泉，劉 慶，王俊康

（1.廣東省智能機(jī)器人研究院，廣東東莞 523808；2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；3.廣東國(guó)志激光技術(shù)有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

鋁合金中厚板焊接是航空航天、能源化工、軌道交通等國(guó)家重大戰(zhàn)略工程高性能裝備制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)[1]。傳統(tǒng)電弧焊方法雖然設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉，但由于存在效率極低、焊縫質(zhì)量不佳、操作環(huán)境惡劣等問題，已逐漸被更先進(jìn)的激光焊接所取代，尤其是對(duì)焊接性能要求較高的構(gòu)件，激光焊接具有熱影響區(qū)小（熱應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)低）、焊接精度與焊接接頭質(zhì)量佳、焊接效率高、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，目前激光焊接已被廣泛應(yīng)用在金屬、非金屬材料連接技術(shù)中[2-3]。

激光擺動(dòng)焊接是利用掃描振鏡實(shí)現(xiàn)聚焦光束的擺動(dòng)，與傳統(tǒng)固定光束激光焊接相比，具有焊接精度高、焊縫質(zhì)量與成型性好、對(duì)板材拼接縫隙要求低、焊接柔性高等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。研究表明，激光擺動(dòng)焊接可有效增加熔池的流動(dòng)、抑制飛濺與氣孔的形成、促進(jìn)焊縫合金元素均勻化，且通過調(diào)節(jié)振鏡擺動(dòng)速度與幅度，可改變焊縫寬度，降低焊縫融合區(qū)的脆性相，從而提高焊縫質(zhì)量[5-7]。

隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，光纖激光器向著大功率、小體積、高集成的方向發(fā)展。目前IPG已生產(chǎn)出500 kW的連續(xù)光纖激光器，而國(guó)內(nèi)也已將國(guó)產(chǎn)30 kW高功率連續(xù)光纖激光器投入商用[1-3]。同時(shí)，隨著光纖激光器向小型化發(fā)展，手持激光焊接技術(shù)也隨之誕生。由于500～1 000 W光纖激光器大都采用風(fēng)冷散熱，省去了復(fù)雜的水路，因此被廣泛應(yīng)用于手持激光焊接機(jī)中。手持激光焊接機(jī)不像傳統(tǒng)的激光焊接一樣需要借助焊接平臺(tái)，只需操作者手持激光焊接頭便可進(jìn)行焊接操作，操作簡(jiǎn)單靈活，可快速焊接形狀各異的復(fù)雜焊接工件，不需要額外設(shè)計(jì)特定的夾具，加工成本低、柔性好。由于激光擺動(dòng)焊接的諸多優(yōu)勢(shì)，目前市場(chǎng)上手持激光焊接頭均采用掃描振鏡以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)焊接[6]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

本實(shí)驗(yàn)采用國(guó)志激光YSM-1000C型光纖激光器，如圖1所示，該激光器光纖芯徑為14 μm，冷卻方式為風(fēng)冷。激光焊接頭采用的是萬順興ND-18手持?jǐn)[動(dòng)焊接頭，如圖2所示。準(zhǔn)直與聚焦鏡焦距比為1∶2，零焦位置光斑直徑為0.028 mm，最大功率密度為162.5×106W/cm2，大于6061鋁合金的能量密度閾值，在此功率密度下可輕松在6061鋁合金表面誘導(dǎo)形成匙孔，大大提高鋁合金對(duì)激光的吸收率。且實(shí)驗(yàn)中采用氮?dú)庾鳛楹附颖Ｗo(hù)氣，氮?dú)庀啾葰鍤?，可與鋁發(fā)生放熱反應(yīng)，生成三元化合物，進(jìn)一步提高了鋁材對(duì)激光的吸收。本實(shí)驗(yàn)中采用Optronis-CP70高速相機(jī)進(jìn)行圖像采集，以研究手持激光擺動(dòng)焊接過程中的熔池形成與保持。

圖1 1 000 W光纖激光器

圖2 手持激光擺動(dòng)焊接頭與操作界面

手持?jǐn)[動(dòng)焊接頭通過調(diào)節(jié)振鏡掃描速度與掃描幅度可達(dá)到Wobble擺動(dòng)焊接效果，可根據(jù)需要設(shè)點(diǎn)多種波形，如圖3所示。焊接過程中需要根據(jù)拼接縫的寬窄與板材厚度調(diào)節(jié)最佳振鏡寬度，以達(dá)到最佳的焊接強(qiáng)度，此款手持?jǐn)[動(dòng)焊接頭的最大振鏡寬度為5 mm。實(shí)驗(yàn)中對(duì)比分析了擺動(dòng)焊接與普通焊接（不開振鏡）焊縫質(zhì)量以及熔池形成過程。

圖3 激光擺動(dòng)焊接原理示意圖

實(shí)驗(yàn)中采用的是6061鋁合金，具有優(yōu)良的焊接特性以及良好的抗腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸、航空航天、建筑建材等領(lǐng)域，表1為6061鋁合金力學(xué)性能參數(shù)。6061鋁合金表面極易產(chǎn)生一層致密的高熔點(diǎn)氧化膜，增加熔池產(chǎn)生的難度，因此焊接前需要打磨并用丙酮或酒精清理，表2為6061鋁合金化學(xué)成分參數(shù)。

表1 6061鋁合金力學(xué)性能

表2 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)利用ND-18手持?jǐn)[動(dòng)焊接頭進(jìn)行6061鋁合金的直角焊接與拼接焊，分別研究了焊接速度、激光功率、振鏡速度對(duì)焊接性能與焊縫形貌的影響。選用的6061鋁板材厚度為4 mm，焊接角度為固定的45°，保護(hù)氣為99.9%的氮?dú)?，流量?5 L/min，采用零焦焊接。由于ND-18為手持焊接頭，操作員在操作過程中很難準(zhǔn)確控制每次焊接的速度都保持相同，因此在研究焊接速度對(duì)焊縫形貌影響時(shí)，同一焊道采用先慢后快的操作方式，如圖4所示。在每次焊接過程中均使用Optronis-CP70高速相機(jī)進(jìn)行圖像采集，采集幀率為3 000幀。

圖4 焊接頭與板材角度以及實(shí)驗(yàn)操作示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 焊接速度對(duì)焊縫的影響

如圖5所示，在焊接過程中，激光束在6061鋁合金表面沖擊形成穩(wěn)定的匙孔，增加了鋁合金對(duì)激光的吸收率，進(jìn)而形成穩(wěn)定的熔池，隨著光束左右擺動(dòng)以及勻速向前移動(dòng)，形成了均勻的焊縫。通過高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，聚焦光束的左右擺動(dòng)會(huì)攪拌熔池，從而影響熔池的熱力耦合與焊縫成形，形成穩(wěn)定均勻的魚鱗紋狀焊縫形貌。

圖5 焊接匙孔與焊縫形貌

為了直觀對(duì)比不同焊接速度對(duì)焊縫形貌的影響，首先在同一道焊縫中采用先慢后快的焊接方式，如圖6所示，激光功率為1 000 W，振鏡速度為1 000 mm/s，振鏡寬度為4 mm。通過高速相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，兩種速度下匙孔的大小并沒有發(fā)生明顯變化，盡管激光焦點(diǎn)會(huì)左右擺動(dòng)，但匙孔的位置始終位于焊縫中央，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，激光擺動(dòng)焊接會(huì)擴(kuò)大焊接匙孔。最終的焊縫呈現(xiàn)先寬后窄的形貌，通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大焊接速度會(huì)降低熔寬，但寬度均大于振鏡寬度(振鏡寬度4 mm)。當(dāng)速度進(jìn)一步增加時(shí)，焊縫呈現(xiàn)鋸齒狀，如圖7所示，因此手持激光擺動(dòng)焊接的焊接速度不宜過快。通過高速影像發(fā)現(xiàn)，在激光擺動(dòng)焊接過程中，較慢的焊接速度往往會(huì)產(chǎn)生輕微的飛濺，當(dāng)提高焊接速度后，飛濺消失。這是由于在較慢的焊接速度下，熔池的熱輸入量變大，鋁氣化，并產(chǎn)生氣泡，形成飛濺。因此，當(dāng)對(duì)飛濺、氣孔要求較高的工況下，焊接速度不宜過慢，應(yīng)以形成穩(wěn)定魚鱗紋狀焊縫形貌為準(zhǔn)，且焊縫寬度為振鏡寬度加1 mm左右。

圖6 不同焊接速度對(duì)應(yīng)的焊縫形貌

圖7 鋸齒狀焊接形貌

圖8 不同振鏡速度對(duì)應(yīng)的焊接形貌

2.2 振鏡掃描速度對(duì)焊縫形貌的影響

為了進(jìn)一步研究振鏡速度對(duì)焊縫形貌的影響，對(duì)6061鋁合金采用直角焊接，如圖8所示。兩組實(shí)驗(yàn)分別采用1 000 mm/s與600 mm/s的振鏡速度，激光功率為1 000 W，振鏡寬度為4 mm，焊接速度均保持相同且勻速。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同焊接速度下，較慢的振鏡速度，其焊縫寬度為4.2 mm，且焊縫形貌趨向于鋸齒狀，如圖8所示。當(dāng)振鏡速度達(dá)到1 000 mm/s時(shí)，焊縫寬為5 mm，焊縫形貌呈現(xiàn)均勻美觀的魚鱗紋狀。通過多組重復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在較低的振鏡速度下，通過降低焊接速度同樣可以達(dá)到較好的焊接效果。因此，振鏡速度應(yīng)與焊接速度相匹配，慢的振鏡速度對(duì)應(yīng)慢的焊接速度，快的振鏡速度對(duì)應(yīng)快的焊接速度。

2.3 單激光與擺動(dòng)激光焊接對(duì)比

單激光焊接由于成本低廉，被廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)中。圖9為不開振鏡的單激光焊接過程，由于光纖芯徑僅為14 μm，經(jīng)手持焊接頭準(zhǔn)直聚焦后，零焦光斑僅為0.028 mm，極易從板材拼接縫隙中漏出。因此，采用正離焦5 mm焊接，此時(shí)光斑直徑約為0.5 mm。從圖9可以看出熔池較小，且沒有形成穩(wěn)定的匙孔。這是由于光斑變大后，功率密度急劇降低，很難在鋁合金表面沖擊形成匙孔，最終焊縫寬度僅為0.6 mm，焊接熔深較淺，大部分激光并沒有被吸收。因此，手持激光焊接頭不開振鏡不能有效焊接鋁合金板材。

圖9 單激光焊接高速影像

3 結(jié)束語

（1）在激光擺動(dòng)焊接過程中，焊接速度應(yīng)以形成穩(wěn)定魚鱗紋狀焊縫形貌為準(zhǔn)，且焊縫寬度為振鏡寬度加1mm左右，過快的焊接速度會(huì)形成鋸齒狀形貌，過慢的焊接速度會(huì)增加氣孔與飛濺缺陷。

新聞攝影構(gòu)圖具有均衡式構(gòu)圖、變化式構(gòu)圖、緊湊式構(gòu)圖、對(duì)稱式構(gòu)圖多種類型，在實(shí)際構(gòu)圖中，需嚴(yán)格遵守構(gòu)圖原則，確保畫面層次與主體劃分鮮明。具體而言，保障新聞畫面的簡(jiǎn)潔性，利用大光圈等方式處理雜亂背景，將復(fù)雜背景虛化，以更好地提升畫面中的主體；保障畫面信息的豐富性，讓觀眾通過觀察照片獲取到更多新聞信息；保障畫面的主體性，在新聞攝影中應(yīng)強(qiáng)調(diào)一個(gè)主體及一個(gè)視覺中心原則，在一張照片中不可同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)中心，可通過變焦等方式對(duì)拍攝畫面進(jìn)行取舍。

（2）激光擺動(dòng)焊接的匙孔會(huì)隨著激光光斑的擺動(dòng)變大，且匙孔始終位于焊縫中央，激光光束的擺動(dòng)會(huì)攪拌熔池，影響熔池的熱力耦合與焊縫成形，形成穩(wěn)定均勻的魚鱗紋狀焊縫形貌。

（3）激光擺動(dòng)焊接的振鏡速度應(yīng)與焊接速度相匹配，慢的振鏡速度對(duì)應(yīng)慢的焊接速度，快的振鏡速度對(duì)應(yīng)快的焊接速度。

（4）手持激光擺動(dòng)焊接鋁合金板材過程中，應(yīng)采用零焦提高功率密度，并開啟振鏡，振鏡寬度應(yīng)以板材票拼接寬度為準(zhǔn)。