脈沖激光焊的脈沖波形對薄板鎂合金焊縫成型的影響

張效賓 李志勇

摘 要：本文采用Nd-YAG脈沖激光器對AZ31鎂合金薄板進行自熔焊，在其他工藝參數相同的情況下，研究脈沖激光波形對焊縫成型及焊縫尺寸的影響及變化規律。實驗結果發現，脈沖波形對焊縫形貌有著重要影響，恒定波形，光斑粗大；附加緩升和緩降的波形，焊縫形貌好；附加尖峰能量的波形，適合反射率高的母材。

關鍵字：激光脈沖波形；薄板鎂合金；焊縫成型

由于鎂合金的密度小、表面張力小、熔點低、沸點低、熱導率和熱膨脹系數大，化學性質活潑等特性，使得傳統焊接方法焊接鎂合金時存在一些困難[1-2]。

激光焊由于其具有能量密度高、焊接變形小和自動化程度高等特點，因而適用于鎂合金的焊接 [3]。采用Nd：YAG脈沖激光焊接時，脈沖波形對焊縫形貌有顯著影響。郭永強[4]研究了激光脈沖波形對鋁合金焊接效果的影響，分析脈沖波形對焊縫形貌以及力學性能的影響；師文慶[5]通過研究脈沖激光焊接H62黃銅，發現選擇快速上升、緩慢下降的波形時，可以提高對激光能量的吸收效率。然而，目前Nd：YAG激光脈沖波形對鎂合金薄板的自熔焊的研究還不多，有必要開展相關研究。

本文針對應用較廣泛的AZ31鎂合金進行表面自熔焊，在相同的參數下，通過改變激光脈沖波形，探究焊縫的表面形貌和焊縫的尺寸變化規律，為后續研究提供實驗基礎。

1、實驗條件

1.1實驗材料

實驗選擇的焊接材料為2mm厚的AZ31鎂合金薄板，尺寸為60mm×30mm×2mm，母材的化學成分如表1所示。

1.2實驗設備

實驗采用的設備為AC-300W型Nd-YAG固體激光器，最大平均功率為300W，最小光斑直徑為0.2mm，激光波長為1.06μm，移動平臺采用CNC2000數控系統操作。實驗結束后，用焊接檢驗尺測量焊縫的寬度。

1.3實驗方法

實驗前，先用砂紙打磨試樣表面，去除表面氧化物，然后用丙酮溶液擦拭試樣表面并吹干；由于鎂合金易氧化，因此焊接過程中需通入惰性氣體（Ar）保護熔池。經優化前期實驗數據，實驗參數選擇如下，如表2；實驗選擇4種脈沖波形A、B、C、D，如圖1所示。

2、實驗結果與討論

從不同保護氣體流量下的焊縫形貌中可看出在單脈沖能量和峰值功率一定的情況下，激光脈沖波形的變化對焊縫形貌有著較為顯著的影響。波形A的焊縫外觀粗糙，焊縫周邊有毛刺，且激光光斑粗大；波形B焊縫形貌有所改善，但焊縫略顯粗糙；波形C和波形D焊縫效果較好，焊縫均勻，但波形D的光斑間距略小；另外，還可發現從波形A到波形D，焊縫的寬度逐漸變小。

在焊接過程中傳熱方式對于熔池的溫度分布、形狀極為重要，激光焊接亦是如此，并且脈沖波形改變了激光脈沖的能量分布，不同的脈沖形狀意味著不同的能量輸送方式。波形A一開始就輸入高能量并且恒定，使母材表面瞬間熔化，部分區域出現飛濺，焊縫周邊存在毛刺，且光斑較粗大；波形B在起始端和結束端均有緩升、緩降的特性，使得焊縫熔池有較好的熔化和冷卻過程，焊縫形貌得到改善；波形C在波形B的基礎上繼續增大能量緩升和緩降過程所占比重，降低內部應力，抑制裂紋和氣孔形成；波形D利用開始出現的尖峰能量迅速改變金屬表面狀態，使其溫度上升至熔點，從而使材料表面反射率降低，獲得較好的焊接效果。

3、結論

（1）當峰值功率為1.75KW、單脈沖能量10.05J、脈沖頻率15Hz、焊接速度4mm/s、離焦量+2mm和保護氣體流量5L/min時，脈沖波形C可獲得成型美觀的自熔焊縫；

（2）脈沖波形對焊縫形貌有著重要影響，恒定波形光斑粗大，部分區域出現飛濺；附加緩升和緩降的波形，熔池有較好的熔化和冷卻過程，焊縫形貌好；附加尖峰能量的波形，能迅速熔化金屬表面，增加吸收率，適合反射率高的母材。

參考文獻

[1]陳振華， 夏偉軍， 嚴紅革， 等. 變形鎂合金[M]. 北京： 化學工業出版社， 2005.

[2]王聰.鎂合金脈沖MIG焊及低功率YAG激光+脈沖MIG電弧復合焊機額工藝研究[D].大連理工大學，2011.

[3]巫瑞智，張景懷，尹冬松.先進鎂合金制備與加工技術[M].北京：科學出版社，2012：15.

[4]郭永強，徐陽熠，易一平，等.激光脈沖波形對鋁合金焊接效果的影響[J].應用激光，2013，33（4）：434-438.

[5]師文慶，楊永強，王迪，等.脈沖激光焊接H62黃銅[J].焊接學報，2010，31（7）：102-104.

作者簡介

張效賓（1988-），男，漢族，吉林市，吉林工業職業技術學院，講師，碩士研究生，研究方向為：鎂合金的焊接技術。