多模環型光斑激光焊接氣孔率的研究

李旭陽

摘 要：為了研究激光焊接多模環形光斑對鋁合金氣孔率的影響，采用DOE全因子實驗法，進行不同的外環功率和不同擺動振幅時，鋁合金氣孔數量的對比分析，結果表明多模環形光斑激光器焊接鋁合金，氣孔數量最主要的影響因素是外環功率的大小，其次是擺動振幅。隨著外環功率增大，熔深變深，熔寬隨之變大，深寬比減小，氣孔明顯減少，當增大到芯環比1﹕1時，氣孔率最低。隨著擺動振幅增大，熔深由倒扣的杯子狀變成倒扣的臉盆狀，深寬比減少，氣孔數量也隨之減少。

關鍵詞：激光焊 外環功率 擺動振幅 氣孔數量

1 前言

隨著乘用車電池行業的發展，對激光焊也提出了的更高的要求。[1-4]尤其是模組的制作更是把減少飛濺和氣孔作為首要目標。在此基礎上多模環形光斑應運而生。多模環型光斑激光器的原理就是在多模激光器的基礎上增加外環功率，外環功率可以起到擴張熔池直徑的作用，因此更有利于熔池中氣孔的溢出。

目前，國內外一些學者對激光焊抑制氣孔的方法進行了深入的研究。陶武等人結合目前生產現狀對鋁合金激光焊未來的發展和應用進行了分析。[5]宋凡等人通過實驗得出，改變焊接速度、離焦量和增加擺動振幅可以減少焊接時氣孔的產生。[6]崔輝等人通過對Q345鋼的激光焊接實驗得出大的光斑直徑可以減少氣孔的產生。[7]黃立進等人通過建立模型模擬激光焊鋁合金匙孔形成與坍塌的機理，得出氣泡形成的主要因素是匙孔坍塌形成氣泡和氣泡被凝固界面捕獲。[8]李慶等人通過實驗研究了工藝參數對氣孔的影響，實驗表明降低激光功率和增加焊接速度會降低氣孔的體積。[9]然而并沒有對多模環形光斑的外環功率是否對氣孔有影響進行研究，本文將通過DOE全因子實驗的方式，研究外環功率和擺動振幅對激光焊接氣孔數量的影響。

2 實驗方法

2.1 實驗設備

整套實驗設備由通快激光器、通快振鏡、三維工作臺和PLC控制器等組成。其中多模環型光斑激光器，芯環功率為4000+4000w。激光波長為1070nm，由內環芯徑50um和外環芯徑200um的光纖連接到振鏡頭，振鏡頭放大倍數為2倍，聚焦后焦點處內環光斑直徑為0.16mm，外環直徑為0.65mm。振鏡的擺動方式為圓形擺動，擺動振幅為0-0.8mm，擺動頻率為0-200Hz。由于振鏡是通過電機控制內部多個鏡片轉動實現擺動焊接的，因此非圓形擺動在正弦波形頂點處會出現焊接速度降低，而熔深過深的情況，例如正弦擺動方式。因此本實驗采用圓形擺動的方式。

2.2 實驗材料

實驗材料選用1060鋁合金，上板尺寸為15mm×10mm×1mm，下板尺寸為15mm×10mm×6mm，實驗焊接軌跡是直徑為6mm的圓。焊接前先對工件表面進行脫脂處理，祛除油污和雜質，目的是減小對焊接質量的影響，然后將被焊工件固定在夾具上。

本實驗采用2因子+2水平+3個中心點的全因子實驗，共7組正交實驗，通過minitab軟件模擬出對氣孔率影響最大的主要因子。因子為外環功率P（0-2000w）和擺動振幅a（0.5-0.8mm），固定內環功率F為1500w，離焦量0，輸出因子氣孔個數d、有效熔深b和表面熔寬c，實驗參數見表1。在實驗過程中采用焦點處焊接（離焦量為0），保護氣體為氮氣，焊接軌跡和擺動軌跡為圓形，頻率100Hz，焊接速度為80mm/s。有效熔深范圍0.9-1.2mm。

將焊接成型后的工件用高精密切割機切開，橫截面經過拋光、鑲嵌和研磨后，用體式顯微鏡觀察焊接橫截面形貌，計算有效熔深尺寸和氣孔數量。橫截面形貌尺寸如下圖1所示。由于多模光激光器是多個高斯光結合而成的，所以光斑模型不是典型的高斯光，而是類似一個倒扣的杯子如圖2，w1為表面熔寬，w2為有效熔寬，h為整體熔深，氣孔數量是測量整體熔深h范圍內氣孔的數量。

3 實驗結果與分析

3.1 外環功率對熔深、熔寬和氣孔數的影響

在中心功率1500w、焊接速度80mm/s固定的情況下，隨著外環功率的增加，焊縫處氣孔數量明顯減少，熔深和熔寬也隨之增加。外環功率對氣孔率的影響如圖3所示。如下表2所示，當外環功率增加到最大2000w時，熔深也隨之增大，并超過熔深允許的最大值1.2mm，所以只能減小外環功率。外環功率為1500w時，熔深正好在0.8-1.2mm范圍內。如果減小內環功率，增加外環功率，使外環功率大于內環功率，熔深將急劇減小，低于要求范圍。這是因為外環光斑大，功率密度低，無法達到使金屬瞬間氣化達到焊接狀態的閾值，只能起到焊接前預熱的輔助作用，所以當外內外環功率為1﹕1時達到最佳焊接效果。

環形光斑是如何抑制氣孔的呢？首先要了解激光焊氣孔產生的機理。如圖4所示，當激光束照射匙孔時，一部分能量被吸收后產生局部蒸發，熔池里形成順時針漩渦流，熔池中液態金屬具有向前運動的趨勢，在匙孔后壁形成了大的凸起。在順時針漩渦流的作用下，凸起繼續向匙孔前壁處流動，匙孔后壁與前壁接觸形成液橋而導致匙孔坍塌，將空氣包裹而形成氣泡。[3]外環功率主要起到焊前預熱和焊后緩冷的作用，同時也能擴大焊接匙孔，減少孔壁坍塌而減少氣孔的產生。由于匙孔擴大，表面熔寬和有效熔寬都會增大。

3.2 擺動振幅對熔深、熔寬和氣孔數的影響

從表2和圖3可以看出，在中心功率1500w、焊接速度80mm/s固定的情況下，隨著振幅的增加，熔深減小而熔寬增大；振幅由0.5mm增大到0.8mm時，深寬比逐漸減小，氣孔數量也有所減小。在振幅0.8mm時氣孔數最少。隨著擺動振幅的增大，熔深的邊緣變得陡峭底部變平，由倒扣的杯子狀變成臉盆狀。以此還可以得出結論，深寬比減小時，氣孔數量減少。

擺動軌跡為圓形軌跡，可以將其掃描的圓環看作是一個直徑為a+d的圓形光斑，則擺動幅度為a的圓光斑內激光平均功率密度Eav-a為：

擺動圓光斑內的平均功率密度Eav-a與未擺動光斑內的平均功率密度Eav之間的比例系數C為：

式中：Eav為光斑直徑為d時光斑內的平均功率密度；a為激光擺動振幅，即激光擺動的直徑。[10]

由上式可知，激光功率不變的情況下，擺動振幅增加平均功率降低，單位時間內的能量輸入降低。對于熔池而言，相當于同樣的能量將熔池加寬而深度降低。由以上可知，擺動振幅的增加實際上可以理解為將多模環形光斑激光器的光斑直接增大，從而使的功率密度降低，整個光斑直徑范圍內的功率密度較均勻。在擺動的過程中，增加了熔池的流動性，使熔池由倒扣的杯子狀變成了臉盆狀，深寬比降低，氣孔數量減少。

4 結論

（1）多模環形光斑焊接鋁合金時，外環功率的大小是氣孔數量的最主要影響因素，隨著外環功率增大，熔池里的氣孔明顯減少，當內外環功率1：1時，熔深滿足要求，氣孔數量最優。

（2）激光的擺動增加了熔池的流動，同時也增加了熔寬，減少了熔深，使深寬比降低。焊縫由倒扣的杯子狀變成倒扣的臉盆狀，氣孔數量減少。

（3）深寬比小，更有利氣孔的溢出。隨著熔寬增大和熔深減小，熔池內壁粘連的情況越來越少，無法將氣體包裹住，所以氣孔數量減少。

參考文獻：

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