振鏡螺旋掃描焊接對鋁合金焊縫氣孔的影響

(1.深圳技師學院 廣東 深圳 518116；2.泉州師范學院 福建 泉州 362000)

一、引言

激光焊接是21實際最受矚目、最有發展前景的焊接技術。鋁合金廣泛應用于汽車、高速列車、地鐵車輛、飛機等交通運載工具中,成為國民經濟發展及人民物質文化生活提高的重要基礎材料。然而由于鋁合金本身特俗的物理化學性質鋁合金激光焊接存在許多問題如鋁合金對激光高反射及其自身的高熱導率、焊接過程中熔池不穩定、焊接氣孔、焊接熱裂紋、合金元素燒損引起的力學性能下降、熱影響區軟化等。目前為解決鋁合金激光焊接難點，國內外科研人員做了許多工作，目前已有旋轉電弧焊相關研究[1]，旋轉電弧窄間隙橫向焊接技術解決了橫向焊接過程中由于熔池控制不當引起的焊縫成型不良這一技術瓶頸。鑒于此，本實驗利用振鏡控制軟件強大的圖形處理能力，開發出一種螺旋掃描激光焊接技術[2]，即激光沿振鏡螺旋掃描路徑進行焊接，以新能源汽車動力電池鋁盒最常用鋁合金材料3003鋁合金進行激光焊接實驗，通過與傳統的直線焊接技術的對比，以及螺旋掃描參數的調整，研究了螺旋掃描參數對焊縫氣孔的影響，說明了螺旋掃描激光焊接對鋁合金焊縫氣孔的影響規律。

二、實驗材料、設備和方法

3003鋁合金的堆焊和拼焊試驗，采用3003鋁合金板材，板厚2mm,加工成30mmx60mmx2mm。拉伸測試試樣采用標準試樣。

焊前用500#的砂紙打磨試樣表面,并用丙酮去除待焊試樣表面油污,用酒精清洗干凈，吹干待用。

試驗所使用的激光器是IPG公司生產的YLS-2000光纖激光器。激光傳輸光纖直徑為100μm,激光能量經光纖傳輸后，通過 QBH 接頭耦合到Precitec準直鏡筒,經焦距為 150 mm 的透鏡準直成平行光，最后進入Raylaser振鏡,經振鏡反射傳播，通過焦距為 330 mm 的F-theta鏡聚焦到試樣表面。Raylaser振鏡安裝在單軸工作臺上,通過工作臺單軸的上下移動來調整振鏡的離焦量。

本實驗開發出來的螺旋軌跡如圖1(a)所示。圖1(a)中r為螺旋掃描半徑，d為點距，V為激光移動速度。螺旋掃描頻率f=V橫向/d,相鄰螺旋軌跡在螺旋掃描半徑上的重疊率由點距d與半徑r共同決定。螺旋掃描半徑r=0時，焊接即為傳統的直線掃描焊接。圖1(b)為在螺旋掃描半徑為0.5mm，點距為0.5mm時在不銹鋼板上以低功率焊接,然后在徠卡S8APO光學顯微鏡下觀察到的螺旋焊接軌跡圖。經測量螺旋直徑為1.091mm,d為0.53mm，相鄰螺旋軌跡在半徑上的重疊率為55%。考慮到光斑直徑的存在，觀察到的螺旋軌跡與理論設定軌跡完全符合。

圖1 螺旋軌跡

本實驗選擇的橫向焊接速度為50mm/s，直線焊接時速度即為50mm/s。實驗前，在直線焊接時先進行3003鋁合金的激光焊接工藝調試，選擇焊透并且飛濺少、焊縫無下陷等外觀缺陷的工藝參數，實驗測得焊接功率1300W，離焦量-1mm處焊接效果最好。然后對標準試樣進行拼焊試驗，先測出各參數下焊透的臨界功率，在臨界功率下進行焊接。在View X1800 X-RAY無損探傷儀下對試樣的焊縫中典型段進行探傷試驗。探測使用參數為51Kv電壓，57μA電流。

二、實驗結果及分析

(一)螺旋掃描半徑對焊縫氣孔的影響

在d=0.5mm即螺旋頻率為100Hz時，進行拼焊試驗，分別測得各螺旋掃描半徑下焊透2mm3003鋁板的臨界功率。在臨界功率下進行拼焊試驗，然后在View X1800 X-RAY無損探傷儀下進行探傷試驗。各螺旋掃描半徑下焊縫氣孔情況如圖2。

(a)r=0

(b)r=0.1mm

(c)r=0.3mm

測試結果表明，螺旋掃描半徑為0即直線焊接時，鋁合金焊縫中存在較多氣孔，符合鋁合金焊接的特點即焊后容易產生氣孔。當使用螺旋掃描焊接后，圖2(b)與圖2(a)相比可以發現，氣孔的數目有所增加，但氣孔的尺寸有所減小，特別是產生了許多微小氣孔；氣孔分布不再是圖2(a)中集中在焊縫中部，而是更靠近焊縫的邊緣分布。分析為螺旋掃描焊接起到類似攪拌作用，尺寸較大的氣孔在螺旋掃描焊接過程中被分裂為小氣孔，所以氣孔數目增多，氣孔尺寸減小。同時氣孔隨螺旋軌跡運動，由焊縫中部移動到焊縫的邊緣，這也解釋了氣孔分布的變化。

隨著螺旋掃描半徑的增大，對比圖2(c)和圖2(b)，氣孔數目沒有明顯變化，但氣孔的平均尺寸又有所減小，氣孔的分布主要為靠近焊縫邊緣。分析為隨著螺旋掃描半徑的增大，焊縫熔寬增大，有利于較大氣孔內氣體的排出，小氣孔內氣體壓力較小，較難排出，所以氣孔尺寸普遍較小。

(二)螺旋掃描頻率對焊縫氣孔的影響

在螺旋掃描半徑為0.5mm時，進行標準試樣拼焊試驗，分別測得各螺旋掃描頻率下焊透2mm3003鋁板的臨界功率。在臨界功率下進行拼焊試驗，然后進行X-RAY無損探傷測試。各螺旋掃描頻率下焊縫氣孔情況測試結果如圖3。

(a)f=0

(b)f=71.4Hz

(c)f=100Hz

(d)f=167Hz

測試結果表明，當使用螺旋掃描焊接后，圖3(b)與圖3(a)相比可以發現，氣孔的數目有所增加，但氣孔的尺寸明顯減小；氣孔分布不再是圖3(a)中集中在焊縫中部，而是更靠近焊縫的邊緣分布。與圖2中結果一致。進一步驗證了螺旋掃描焊接對鋁合金焊縫氣孔情況的影響，

隨著螺旋掃描頻率的增大，對比圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)，氣孔數目先增加后減小，氣孔尺寸沒有明顯變化，氣孔的分布由焊縫中部和邊緣均有分布變為明顯靠近焊縫邊緣分布。分析為，氣孔分布情況的變化主要是因為重疊率的變化，重疊率大，熔池中心多次被激光螺旋掃描經過并重熔，有利于焊縫中部氣孔的排出。氣孔數目先增大，是由于重疊率影響了熔池中氣孔的析出。氣孔數目后減少，主要是受微小氣孔數目的影響，重疊率降低導致微小氣孔數目減少。

結論

1.與普通直線焊接相比，螺旋掃描焊接可減小焊縫氣孔尺寸，使氣孔分布由集中在焊縫中部分散到焊縫的邊緣。

2.在所測參數內，隨著螺旋掃描半徑的增大，氣孔尺寸減小。隨著螺旋掃描頻率的增大，氣孔數目先增大后減小；氣孔的分布越接近焊縫邊緣。