6063鋁合金單模光纖激光焊接工藝研究

呂志超，洪洋，趙國江

6063鋁合金單模光纖激光焊接工藝研究

呂志超1，洪洋1，趙國江2

（1. 臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺州 318020； 2. 浙江邦得利環(huán)保科技股份有限公司，浙江 臺州 317000）

針對采用脈沖激光點焊的6063鋁合金焊點拉力較低，無法滿足實際需求的問題，研究6063鋁合金激光焊接的最優(yōu)工藝方案，以提升焊點拉力。采用單模光纖激光對6063鋁合金進行焊接，通過極細(xì)的線寬組成螺旋點，代替單個脈沖激光點焊。對激光功率、焊接速度及離焦量等工藝參數(shù)進行正交實驗，得到最佳工藝參數(shù)，并通過分析焊縫外觀與微觀組織，解釋焊點拉力提升的原因。當(dāng)激光功率為70 W，焊接速度為100 mm/s，離焦量為0時，焊點拉力達(dá)到最大的65 N，此時的工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。6063鋁合金單模激光焊點拉力是脈沖激光焊點拉力的3倍。單模光纖激光螺旋線焊接時，激光能量在光斑范圍內(nèi)均勻分布，且有較大的功率密度，形成焊縫表面與焊縫底部寬度幾乎一致的焊縫形狀，有利于提高焊點拉力，為實際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

6063鋁合金；單模激光器；激光焊接；拉力

鋁合金材料具有比重輕、強度高、易于加工成形、耐腐蝕性好等優(yōu)點，已經(jīng)在航空航天、五金、汽車等行業(yè)得到廣泛使用[1-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，對鋁合金焊接的焊縫質(zhì)量及生產(chǎn)效率提出了更高要求。激光焊接具有能量密度高、總體熱量輸入少、焊接后變形量小、與工件非接觸容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在鋁合金焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4-13]。

鋁合金對激光的反射率高，需要較高的激光能量才能實現(xiàn)焊接，另外鋁合金中的低熔點元素如Mg，Zn等容易發(fā)生燒損，導(dǎo)致焊接接頭強度降低，影響實際使用[14-15]。6063鋁合金強度高，耐摩擦性能好，是一種應(yīng)用前景廣闊的鋁合金材料，目前對6063鋁合金激光焊接的研究報道較少，僅有吳世凱等[16]采用3500 W的CO2激光器，對厚度為5 mm的AA6063-T6鋁合金板材進行焊接的報道，他們通過填充焊絲，使焊縫抗拉強度達(dá)到母材的90%。對于薄板（厚度小于1.0 mm）6063鋁合金激光焊接，未見有報道，薄板材料一般采用Nd: YAG激光器進行點焊，這樣可以降低熱變形，以及提高生產(chǎn)效率，但焊點拉力較低，無法滿足實際生產(chǎn)要求。隨著激光器技術(shù)的進一步發(fā)展，單模光纖激光器技術(shù)越來越成熟，光束質(zhì)量也越來越好，對提高焊點拉力有較大幫助。

文中采用1000 W單模光纖激光器焊接螺旋線，形成焊點，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，得到焊點拉力最大的效果，并且與脈沖激光點焊的焊點拉力進行對比研究，為實際工程應(yīng)用提供有價值的參考。

1 焊接實驗

1.1 材料

材料為鋁合金材料，牌號為6061，厚度為0.5 mm，材料的化學(xué)成分見表1。將材料切割成200 mm×100 mm的板材，用酒精、水清洗干凈，備用。焊接方式為搭接，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。

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

1.2 設(shè)備

實驗設(shè)備采用IPG公司生產(chǎn)的單模光纖激光器進行焊接，光纖直徑為0.14 μm，平均功率為1000 W，實驗平臺主要由激光器、電腦、光路系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，如圖1a所示。激光被掃描振鏡片反射，并且通過F物鏡焦于工作平面，振鏡片在/電機的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，在平面內(nèi)形成各種軌跡，如圓形、矩形、直線、螺旋線等，在經(jīng)過F物鏡聚焦后，光斑大小約為0.28 mm，光路系統(tǒng)示意圖如圖1b所示。脈沖激光點焊采用500 W的Nd: YAG激光器，峰值功率達(dá)到8000 W，激光束經(jīng)過光路系統(tǒng)聚焦后，光斑大小約為0.4～1.0 mm。采用濟南華興實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電子拉力實驗機（規(guī)格型號：WDH-10）對焊縫進行拉力測試。采用金相顯微鏡對焊縫外觀進行測試，品牌為北京北極星辰，型號為XJB200。

圖1 實驗平臺

2 激光焊接工藝實驗及結(jié)果

2.1 焊接圖形設(shè)計及外觀對比

脈沖激光點焊采用500 W的Nd: YAG激光器進行焊接，焊接范圍要求為0.6～0.8 mm，脈沖激光點焊的聚焦光斑大小剛好滿足，激光發(fā)出一個脈沖，作用在材料上，形成一個焊點，焊點示意圖如圖2a所示。

單模光纖激光器的聚焦光斑由于只有0.28 mm，激光束通過運行一個螺旋線，形成焊點，螺旋線的直徑為0.8 mm，螺旋線的圈數(shù)為4，每個圈之間有一定的激光重疊率，形成直徑為0.8 mm的激光焊點，焊點示意圖如圖2b所示。脈沖激光點焊的外觀如圖2c所示，螺旋線形成的焊點外觀如圖2d所示，兩者的焊點大小幾乎一致，外觀上無明顯差異。

圖2 焊點示意及外觀

2.2 工藝參數(shù)正交實驗

脈沖激光點焊的主要工藝參數(shù)為激光峰值功率、脈沖寬度、離焦量，對0.5 mm的6061鋁合金進行激光焊接工藝預(yù)實驗，當(dāng)激光峰值功率為2400 W時，峰值功率較小，焊點拉力較小，為3 N；當(dāng)激光峰值功率為3600 W時，焊縫表面有飛濺，焊點拉力也較低，為4 N。當(dāng)脈沖寬度為3 ms時，焊點直徑較小，拉力值較小，為3 N；當(dāng)脈沖寬度為9 ms時，焊點直徑為0.9 mm，超過了0.6～0.8 mm的焊接范圍。當(dāng)離焦量為0時，由于功率密度較大，焊縫有飛濺，外觀無法滿足要求；當(dāng)離焦量為6 mm時，由于功率密度急劇降低，焊點拉力較小，為4 N。三因素三水平如表2所示。

表2 脈沖激光點焊因素水平表

單模光纖激光螺旋線焊接的主要工藝參數(shù)為激光平均功率、焊接速度以及離焦量，當(dāng)激光平均功率為500 W時，焊點拉力較小，為4 N；當(dāng)激光平均功率900 W時，有部分材料飛濺，焊點拉力也較小，為3 N。當(dāng)焊接速度為90 mm/s時，熱量累積過大，材料有燒蝕現(xiàn)象，焊點拉力較低，為5 N；當(dāng)焊接速度為170 mm/s時，熱量累積較小，焊接寬度深度均較小，焊點拉力較小，為4 N。當(dāng)離焦量為0，于功率密度較大，焊縫有飛濺，無法達(dá)到外觀要求；當(dāng)離焦量為6 mm時，由于功率密度急劇降低，焊點拉力較小，為4 N。三因素三水平如表3所示。

表3 單模光纖激光螺旋線焊接因素水平表

脈沖激光點焊的三因素三水平正交實驗共9組，當(dāng)峰值功率為3000 W，脈沖寬度為8 ms，離焦量為1 mm時，焊點拉力達(dá)到最高的17 N，為最佳工藝參數(shù)。

激光峰值功率因素A取水平1（A=2500 W）的共有3組實驗，將這3組實驗的焊點拉力累加，得統(tǒng)計量1=35，取水平2得到焊點拉力累加，得統(tǒng)計量2=46，取水平3得到焊點拉力累加，得統(tǒng)計量3=33，統(tǒng)計量值越大，說明因素在該水平下拉力值越大，2值最大，表明因素A取水平2（A=3000 W）時，焊點拉力值最大；同理，得到其他因素（脈沖寬度、離焦量）的焊點拉力統(tǒng)計量值，如表4所示。極差值用表示，值越小，表明該因素對焊點拉力的影響越小；反之，值越大，表明該因素對焊點拉力的影響越大。從表4可以看出，對焊點拉力影響的因素由主到次依次為：峰值功率，脈沖寬度，離焦量。

表4 脈沖激光點焊正交實驗結(jié)果

單模光纖激光螺旋線焊接的三因素三水平正交實驗共9組，當(dāng)平均功率為3000 W，焊接速度為160 mm/s，離焦量為1 mm時，焊點拉力達(dá)到最高的47 N，為最佳工藝參數(shù)。

激光平均功率因素取水平1（A=600 W）的共有3組實驗，將這3組焊點拉力累加，得統(tǒng)計量1=98，同理得到其他因素的拉力值統(tǒng)計量，如表5所示，其中為極差值，由極差值可知，影響焊點大小的因素由主到次依次為離焦量、平均功率、焊接速度。

2.3 焊縫外觀及微觀組織分析

圖3a為脈沖激光點焊在最佳工藝參數(shù)條件下的焊點切片，焊縫表面的寬度大，隨著熔深的增加，焊縫寬度減小，在上下2層材料之間的焊縫寬度約為焊點表面寬度的1/3，這是因為脈沖激光的能量在0.8 mm的光斑范圍內(nèi)主要分布在光斑中心，光斑邊緣的能量較低，只能熔化材料表面，而不能繼續(xù)往下穿透，形成了上面寬、下面窄的焊縫。圖3b為單模光纖激光螺旋焊接在最佳工藝參數(shù)條件下的焊點切片，焊縫表面的寬度與脈沖激光點焊的寬度基本一致，隨著熔深的增加，焊縫寬度沒有明顯減小，在上下2層材料之間的焊縫寬度幾乎和焊點表面寬度一樣，這是因為采用單模光纖激光螺旋焊接時，單模光纖激光的聚焦光斑為0.28 mm，激光能量在光斑范圍內(nèi)均勻分布，且有較大的功率密度，在螺旋線最外圈，激光能量足以將材料熔透，形成焊縫表面與焊縫底部寬度幾乎一致的焊縫形狀。在拉力測試時，受力位置主要為上下2層材料之間的焊縫寬度，寬度越大，焊點的拉力越大，單模光纖激光螺旋焊縫在上下2層材料之間的焊縫寬度為脈沖激光點焊焊縫寬度的3倍，因此單模光纖激光螺旋焊接的焊點拉力也是脈沖激光點焊的3倍。

表5 單模螺旋焊接正交實驗結(jié)果

圖3 焊點切片

圖4a為6061鋁合金母材金相組織，晶粒大小不均勻，形狀不規(guī)則且晶粒較為粗大，為典型的α-Al組織。圖4b為激光脈沖點焊在最佳工藝參數(shù)條件下的焊縫中心顯微組織，為鋁合金樹枝晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸相對6061鋁合金母材，得到明顯的細(xì)化，這是因為激光脈沖點焊對鋁合金材料進行快速加熱和快速冷卻，使焊縫晶粒細(xì)化。圖4c為單模光纖激光螺旋焊接在最佳工藝參數(shù)下的焊縫中心顯微組織，為鋁合金樹枝晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸相對激光脈沖激光點焊的金相組織沒有明顯差異。

圖4 焊點微觀組織

3 結(jié)論

分別采用脈沖激光點焊和單模光纖激光螺旋焊接的方式對6063鋁合金進行搭接焊接，并且進行正交優(yōu)化實驗，脈沖激光點焊的焊點拉力最高達(dá)到17 N，最佳工藝參數(shù)如下：峰值功率為3000 W，脈沖寬度為8 ms，離焦量為1 mm；單模光纖激光螺旋線焊接的焊點拉力最高達(dá)到47 N，最佳工藝參數(shù)如下：平均功率為3000 W，焊接速度為160 mm/s，離焦量為1 mm。

脈沖激光點焊和單模光纖激光螺旋焊接在最佳工藝參數(shù)條件下的外觀幾乎一致，無明顯區(qū)別；金相組織及晶粒尺寸沒有明顯差異。單模光纖激光螺旋焊縫在上下2層材料之間的焊縫寬度為脈沖激光點焊焊縫寬度的3倍，因此單模光纖激光螺旋焊接的焊點拉力也是脈沖激光點焊的3倍。

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Single-Mode Fiber Laser Welding Process of 6063 Aluminum Alloy

LYU Zhi-chao1, HONG Yang1, ZHAO Guo-jiang2

(1. Taizhou Vocational College of Science and Technology, Taizhou 318020, China; 2. Zhejiang Bondlye Environmental Technology Co., Ltd., Taizhou 317000, China)

The work aims to study the optimum laser welding process scheme for 6063 aluminum alloy to improve the tension of welding spot in view of that the tension of 6063 aluminum alloy spot-welded by pulse laser is low and fails to meet the actual needs. The single-mode fiber laser was used to weld 6063 aluminum alloy, and the spiral spots were formed by extremely fine line to replace single pulse laser spot welding. The orthogonal experiment was carried out to laser power, welding speed and defocus to obtain the optimum parameters. Through the analysis on the appearance and microstructure of the weld, the reason for the increase of the welding spot tension was explained. When laser power was 70 W, welding speed was 100 mm/s, and defocus was 0, the tension of spots reached the maximum 65 N, and the process parameters were the best. The tension of single-mode laser welding spot was 3 times that of pulse laser welding spot. In welding with single-mode fiber spiral laser, the laser energy is evenly distributed in the spot range and has a large power density, forming a weld shape with the weld surface width almost the same as that of the weld bottom, which is conducive to improving the tension of welding spot and providing technical reference for actual production.KEY WORDS: 6063 aluminum alloy; single-mode fiber laser; laser welding; tension

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.020

TG456.7

A

1674-6457(2022)01-0159-06

2021-05-06

國家重點研發(fā)計劃（2017YFC0211200）；臺州市科技計劃（2003gy36）

呂志超（1987—），男，碩士，工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)強度分析、焊接工藝分析。