Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接對鋁合金焊縫組織和性能的影響

曹忠民，劉笑笑，李宏策

Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接對鋁合金焊縫組織和性能的影響

曹忠民，劉笑笑，李宏策

（湖南機電職業技術學院，長沙 410000）

提高鋁合金的焊縫抗拉強度，解決鋁合金焊接過程中的裂紋缺陷。采用脈沖Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接鋁合金，先用Nd：YAG激光形成焊接熔池，然后用半導體激光對熔池進行加熱保溫，獲得無裂紋的焊縫，并對焊縫進行抗拉強度測試。與單獨的Nd：YAG激光焊接相比，Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接的鋁合金焊縫抗拉強度提高了50%，達到193 MPa，為母材抗拉強度的90%。2束激光的結合延長了熔池的冷卻凝固時間，從而有效避免了熱裂紋，減少了焊接缺陷，提高了焊接質量。

半導體激光；Nd：YAG激光；鋁合金；激光焊接

激光焊接具有生產高率、焊接質量好、焊接速度快、焊縫深寬比大、熱輸入低、變形小、制造靈活、易于實現自動化等優點，在材料焊接領域的應用越來越多[1-7]。激光焊接有脈沖焊接和連續焊接2種方式，與連續激光焊接相比，脈沖激光焊接的熱輸入相對較少，焊接后產品形變也較小，更適合薄板材料的精密焊接[8-10]。其中Nd：YAG激光器是一種傳統的激光器，具有結構簡單、功率穩定性好、使用成本低等優勢[11-12]，在實際生產中得到了廣泛應用。半導體激光器一般為連續激光器（連續出光），具有電光轉換效率高的優勢[13-14]，在材料加工領域有極大優勢。

鋁合金由于熱膨脹系數高、凝固溫度范圍寬，在熔焊過程中容易產生熱裂紋[15-18]。鋁合金對凝固裂紋的敏感性受焊縫金屬成分、焊接工藝參數等因素的影響，較高的凝固速率會增加裂紋產生的概率。Hassan等[19]采用Nd：YAG和CO2復合的激光束對鋁合金進行焊接，對熱學模型進行了研究，發現增加CO2輔助加熱后，熔池降溫的速率降低，有利于得到無裂紋的焊縫。鋁合金對CO2激光（波長為10 μm左右）的吸收率較低，低于3%，而且CO2激光的光束無法通過光纖傳輸，很難實現自動化生產。半導體激光的波長為800～1 100 nm，鋁合金對半導體激光的吸收率較高，為30%左右，半導體激光的光束可以利用光纖進行傳輸，和Nd：YAG一樣，可以很好地實現自動化生產。截至目前，未見有采用Nd：YAG激光和半導體激光復合的焊接方法對6061鋁合金進行焊接的報道出現。

文中先采用Nd：YAG激光焊接鋁合金，后用半導體激光對焊縫進行加熱，這種方式降低了焊縫的冷卻速度，減少了鋁合金的焊接熱裂紋，提高了焊縫的抗拉強度，可以為實際生產提供一定的技術參考。

1 試驗

1.1 材料

試驗材料為厚度0.5 mm的6061鋁合金，其化學成分如表1所示。將材料切割成200 mm×100 mm的板材。由于鋁合金表面容易產生致密的高熔點氧化鋁薄膜，需要用砂紙對其打磨，以去掉氧化層，然后用酒精、水清洗干凈備用。焊接方式為拼接，采用自制工裝夾具將待焊工件夾緊。6061鋁合金母材的抗拉強度為205 MPa，焊縫的抗拉強度需要達到母材的90%以上，才能滿足實際生產要求。

表1 6061鋁合金的化學成分

Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy wt.%

1.2 設備

使用脈沖Nd：YAG激光和連續半導體激光復合焊接6061鋁合金。先利用Nd：YAG激光對材料進行焊接，形成焊縫，再利用半導體激光對焊縫進行持續加熱，焊點實驗平臺如圖1所示。脈沖Nd：YAG激光器的聚焦光斑直徑為400 μm，最大平均功率為500 W，峰值功率為8 000 W，脈沖寬度為0.2～50 ms，脈沖頻率為1～500 Hz，激光波長為1 064 nm。半導體激光器的聚焦光斑直徑約為3 mm，最大平均功率為1 000 W，波長為915 nm。將Nd：YAG激光器和半導體激光器的加工頭固定在一起，在/直線模組的帶動下，利用激光束對工件進行加熱焊接形成焊縫。

圖1 焊點實驗平臺

1.3 焊縫抗拉強度測試

將焊接試樣切割成標準試樣，如圖2a所示，將試樣兩端夾住，測試焊縫的拉力。采用廣東威邦儀器科技股份有限公司生產的電子萬能材料試驗機（型號為WBE–9909）對焊縫進行拉力測試，試驗機的最大拉力值為200 kN，拉力測試儀器如圖2b所示。焊縫的抗拉強度=拉力值/焊縫面積，其中焊縫面積=焊縫寬度×焊縫長度。為確保數據的準確性，每次測試3個樣品，取其平均值。

圖2 焊縫抗拉強度測試

2 試驗過程及結果分析

2.1 激光焊接工藝試驗

影響Nd：YAG激光焊接效果的主要工藝參數為峰值功率、脈沖時間、激光頻率、焊接速度，對這4個工藝參數進行四因素四水平正交試驗，共設計了16組試驗如表2所示。采用拉力機對焊縫進行抗拉強度測試，以得到焊縫抗拉強度最大時的焊接工藝參數。Nd：YAG激光焊接的最佳工藝參數如下：峰值功率為3 000 W，脈沖寬度為5 ms，頻率為20 Hz，焊接速度為5 mm/s。此時6061鋁合金的焊縫抗拉強度達到最大的105 MPa，但是該值只有母材抗拉強度的50%左右（6061鋁合金母材的抗拉強度為205 MPa），這是因為焊縫內部裂紋的存在，降低了焊縫的抗拉強度。在Nd：YAG激光焊接最佳工藝參數的基礎上，加入半導體激光進行復合焊接，保持焊接速度5 mm/s不變。對半導體激光焊接功率進行單因素優化試驗，在Nd：YAG激光焊接工藝參數為峰值功率3 000 W、脈沖寬度5 ms、頻率20 Hz、焊接速度5 mm/s的條件下，當半導體激光焊接功率為500 W時，焊縫抗拉強度達到最大的193 MPa，達到了母材抗拉強度的90%，此時焊縫內部無裂紋等缺陷，焊縫抗拉強度比單獨采用Nd：YAG激光焊接得到的抗拉強度提高了40%，達到了實際生產要求，且抗拉強度優于楊得帥[20]的研究結果（6061鋁合金激光焊接接頭的抗拉強度為158 MPa，約為母材的51.5%）。

表2 正交試驗結果

Tab.2 Results of orthogonal experiment

圖3a為采用Nd：YAG激光焊接6061鋁合金的焊縫外觀圖。可以發現，當采用峰值功率為3 000 W、脈沖寬度為5 ms、頻率為20 Hz、焊接速度為5 mm/s的工藝參數焊接時，焊縫呈現魚鱗紋狀態，表面有明顯的裂紋存在，這可能是因為在Nd：YAG激光焊接過程中，焊縫由多個焊點疊加組成，在每個焊點的形成過程中，焊點周圍溫度梯度較大，在熔池凝固過程中容易產生熱裂紋。圖3b為Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接的效果。保持Nd：YAG激光焊接的參數不變，當半導體激光器的功率設置為500 W時，焊縫表面依然呈現魚鱗紋狀態，焊縫表面未見有裂紋產生。這可能是因為半導體激光焊接為連續出光焊接，熔池在焊縫方向均勻推進，且焊縫的溫度梯度較小，在熔池冷卻凝固過程中不容易產生熱裂紋。

圖3 焊接外觀圖

2.2 焊縫內部結構分析

對焊縫進行切片分析，觀測焊縫內部狀態。圖4a為采用Nd：YAG激光焊接6061鋁合金的焊縫內部切片，可以發現，當工藝參數為峰值功率3 000 W、脈沖寬度5 ms、頻率20 Hz、焊接速度5 mm/s時，焊縫內部有明顯的裂紋產生。圖4b為Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接的切片，可以發現，在Nd：YAG激光器的參數保持不變、半導體激光器的功率設置為500 W的情況下，焊縫內部未見有裂紋產生。這可能是因為半導體激光對焊縫有持續加熱作用，降低了焊縫的冷卻速率，延長了熔池的凝固時間，減少和消除了凝固裂紋。

圖4 焊縫切片

2.3 焊縫微觀結構分析

圖5a為Nd：YAG激光焊接焊縫中心區域的顯微組織，可以發現，組織為等軸晶，晶粒比較細小。圖5b為Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接焊縫中心區域的顯微組織，可以發現，組織也為等軸晶，與圖5a相比，該區域晶粒明顯增大，這是因為采用半導體激光對焊縫持續加熱，降低了熔池冷卻凝固的速度，使等軸晶有充分的時間進行長大。圖5c為Nd：YAG激光焊接熔合區的顯微組織，可以發現，組織為柱狀晶。圖5d為Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接熔合區的顯微組織，可以發現，組織為柱狀晶，與圖5c相比，該區域晶粒明顯增大，說明半導體激光對焊縫的持續加熱，降低了熔池冷卻凝固的速度，也使柱狀晶有充分的時間進行長大，顯微組織晶粒隨之變大。Nd：YAG激光焊接采用了脈沖激光方式，即整個焊接過程為時斷時續的加熱過程，這使焊縫中心區域的等軸晶以及熔合區的柱狀晶晶粒均較小，而且焊縫金屬受到應力的反復作用，這容易使焊縫中薄弱的低熔點共晶區域被拉開，產生結晶熱裂紋，會降低鋁合金焊縫接頭的抗拉強度。Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接可以降低熔池的凝固速度，使焊縫中心區域的等軸晶以及熔合區的柱狀晶晶粒均變大，同時沒有對焊縫金屬施加反復的應力作用，因此避免了結晶熱裂紋的產生，有利于提高焊縫的力學性能。

圖5 焊縫顯微組織形貌

2.4 焊縫顯微硬度分析

采用顯微硬度儀分別對Nd：YAG激光焊接焊縫以及Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接焊縫的硬度進行測試分析，其結果如圖6所示?？梢园l現，從焊縫中心到母材，硬度逐漸增加，焊縫中心處硬度最低，鋁合金母材的硬度最高，這是因為在激光焊接過程中，激光產生的熱量對母材進行了熱處理并產生了強化作用，而焊縫中心以及熱影響區存在“過時效”軟化現象，這會使硬度降低。

圖6 焊接接頭顯微硬度分布圖

Nd：YAG激光焊接焊縫顯微硬度平均值為80HV，最小值約為70HV，相對高于Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接焊縫的硬度（平均值為70HV，最小值約為60HV），這是因為在一定速度下，當Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接時，作用在材料上的激光能量相對較多，熱輸入較大，這容易引起強化作用消失，從而導致硬度降低。

2.5 斷口形貌及元素分析

對Nd：YAG激光焊接焊縫以及Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接焊縫的拉伸斷口形貌進行測試分析，結果如圖7所示。圖7a為Nd：YAG激光焊接焊縫的斷口形貌，由圖7a可知，斷口中韌窩數量較多，而韌窩尺寸相對較小，這是因為焊接接頭的塑性較差，表現出脆性斷裂的特征，焊縫的抗拉強度較低。圖7b為Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接焊縫的斷口形貌，由圖7b可知，斷口處的韌窩數量較少，韌窩的尺寸相對較大，而且韌窩的深度較深，表現為韌性斷裂的特征，與母材的斷口形貌基本一致。這是因為Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接焊縫中心區域的等軸晶以及熔合區的柱狀晶晶粒均較大，使焊縫結晶度得到強化，有利于焊縫抗拉強度的提高。

圖7 焊縫拉伸斷口形貌

對斷口斷裂位置的元素成分進行分析，其元素含量如表3所示。可以看出，Nd：YAG激光焊接焊縫斷口處的元素除了基材本身元素（Al、Mg、Si、Fe、Ti）之外，還有大量的O元素存在，說明斷口處有含氧量較高的化合物，這些氧化物形成了焊縫微裂紋，在抗拉強度測試過程中，裂紋首先從這些氧化物所在的位置形成，并擴展直至斷裂，使焊縫的抗拉強度相對較小。Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接焊縫斷口處的O元素含量明顯降低，這是因為半導體激光器的加入，增加了熱輸入，降低了材料熔化和焊縫凝固的速度，使大量O元素有足夠的時間從熔池中溢出，減少了焊縫中氧化物的存在，降低了焊縫裂紋，有利于提高焊縫的抗拉強度。

表3 斷口處的元素含量

Tab.3 Proportion of elements at the fracture wt.%

3 結論

1）Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接的鋁合金焊縫抗拉強度可達193 MPa，超過了母材的90%，焊縫內部無裂紋等缺陷，焊縫抗拉強度比單獨采用Nd：YAG激光焊接的提高了40%，達到了實際生產要求。

2）Nd：YAG激光與半導體激光復合焊接熔合區的顯微組織為柱狀晶，相比于Nd：YAG激光焊接的熔合區，晶粒明顯增大，說明半導體激光對焊縫的持續加熱，降低了熔池冷卻凝固的速度，減小了凝固過程中熔合區組織中的應力，同時使熔合區的柱狀晶有充分的時間進行長大，顯微組織晶粒隨之變大。

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Effects of Nd: YAG Laser and Diode Laser Hybrid Welding on Microstructure and Properties of Aluminium Alloy Laser Weld

CAO Zhong-min, LIU Xiao-xiao, LI Hong-ce

(Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha 410000, China)

The work aims to improve the tensile strength of aluminum alloy weld and solve the crack defect during welding of aluminum alloy. Pulsed Nd: YAG laser and diode laser hybrid welding was adopted to weld the aluminum alloy. First, the Nd: YAG laser was used to form a welding pool. Then, the pool was heated and kept warm by diode laser to obtain crack-free welds and test the tensile strength of the welds. The tensile strength of aluminium alloy weld left by pulsed Nd: YAG laser and diode laser hybrid welding was 50% higher than that of the single Nd: YAG laser welding, reached to 193 MPa, which was 90% of the tensile strength of the base metal.The combination of laser beam prolongs the cooling and solidification time of the molten pool, thus avoids the hot crack effectively, reduces the number of welding defects and improves the welding quality.

diode laser; Nd: YAG laser; aluminium alloy; laser welding

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.018

TG456.7

A

1674-6457(2022)08-0127-07

2021–09–28

曹忠民（1967—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為焊接技術及應用。

責任編輯：蔣紅晨