刘东宇 王锦军 上海飞博激光科技有限公司
随着汽车行业的不断壮大，纯电动汽车和燃料电池汽车将共同主导中国新能源汽车市场的未来发展。电动车轻量化和燃料电池的大量使用，必然涉及到越来越多的铝合金焊接工艺。铝合金具有良好的物理、化学和机械性能，是工业生产中一种重要的轻金属材料。目前铝合金材料的连接还主要是以惰性气体钨极保护焊和熔化极惰性气体保护焊两种传统焊接工艺进行焊接的。这两种焊接工艺焊接速度慢、生产效率低，而且焊接热输入大，使得铝合金焊接变形较大，同时焊接接头处晶粒粗大，从而导致产品质量较差。而作为一种高能量密度热源的激光，具有较快的焊接速度和较小的热输入，因此焊接变形小，获得的产品质量也较为优异。
1 实验条件与方法
1.1 实验设备
实验采用高光束质量的飞博激光YDFL-2000-CW-MM高功率连续光纤激光器，工作模式为：CW/QCW，中心波长为1080nm,光束质量M2<1.6;嘉强BW240-4KW光纤激光高功率以及具有同轴 CCD 显示和照明功能的焊接头（准直聚焦配比为100:200）；史陶比尔TX90六轴机器人。采用JZX91熔深显微镜观察焊缝表面。
1.2 实验材料
按合金化系列，铝及铝合金可分为 1 系（工业纯铝）、2 系（铝 - 铜）、3 系（铝 - 锰）、4 系（铝 - 硅）、5 系（铝 - 镁）、6 系（铝 - 镁 - 硅）、7 系（铝 - 锌 - 镁 -铜）、8 系（其他）八类合金。不同的系列的铝合金由于成分和组织的差异，所表现出来的焊接性能相差也是比较大的。3系铝合金是防锈铝合金，具有优秀的防锈特性，成形性、熔接性、耐蚀性均良好，其中3003铝合金通常用于动力电池外壳，3A21 铝合金用于微波组件外壳。本次实验采用3003铝合金材料进行了激光焊接测试。焊接接头采用对接的方式,将工件切割成100mm*100mm*2mm板材进行对焊。
3003 铝合金标准化学成分表
元素 | Si | Mg | Fe | Cu | Mn | Zn | Ti |
元素含量 | 0.6 | 0.05 | 0.7 | 0.2 | 1.0-1.6 | 0.1 | 0.15 |
1.3 实验方法
在焊接前使用丙酮溶液超声波清洗器 25 min，以清除试样表面的油污等杂质。采用连续激光和脉冲激光对试样分别进行焊接，焊接完成后在精密测量显微镜观察焊缝表面形貌。
1.4实验参数
由于铝合金对激光具有高反射性，为防止回反光烧毁激光器，对焊头做了5度的倾斜。在连续激光进行焊接时，分别对离焦量、激光器输出功率和焊接速度 3 个工艺参量进行优化，以获得连续激光焊的最佳工艺参量; 同时，在脉冲激光进行焊接时，脉冲波形为方波，对脉冲能量进行了优化，以获得脉冲激光焊的最佳工艺参量。优化后焊接工艺参数如表 1和表 2 所示。
连续激光焊接参数优化表1
序号 | 功率(W) | 速度(mm/s) | 离焦量(mm) | 保护气体 | 气体流量(L/min) |
1 | 1500 | 40 | 0 | Ar | 20 |
2 | 1500 | 40 | -1 | Ar | 20 |
3 | 1500 | 40 | -2 | Ar | 20 |
4 | 1500 | 40 | 1 | Ar | 20 |
5 | 1500 | 70 | -1 | Ar | 20 |
6 | 1500 | 60 | -1 | Ar | 20 |
7 | 1500 | 50 | -1 | Ar | 20 |
8 | 1500 | 30 | -1 | Ar | 20 |
脉冲激光焊接参数优化表2
序号 | 功率(W) | 频率（HZ） | 占空比 | 速度(mm/s) | 离焦量(mm) | 保护气体 | 气体流量(L/min) |
1 | 2000 | 32 | 60% | 32 | 0 | Ar | 20 |
2 | 2000 | 16 | 60% | 32 | 0 | Ar | 20 |
3 | 2000 | 24 | 60% | 32 | 0 | Ar | 20 |
4 | 2000 | 24 | 40% | 32 | 0 | Ar | 20 |
5 | 2000 | 24 | 80% | 32 | 0 | Ar | 20 |
6 | 2000 | 24 | 60% | 32 | 1 | Ar | 20 |
7 | 2000 | 24 | 60% | 32 | 2 | Ar | 20 |
8 | 2000 | 64 | 60% | 32 | 2 | Ar | 20 |
9 | 2000 | 64 | 80% | 32 | 2 | Ar | 20 |
10 | 2000 | 64 | 40% | 32 | 1 | Ar | 20 |
11 | 2000 | 24 | 40% | 32 | 1 | Ar | 20 |
12 | 2000 | 100 | 60% | 32 | 1 | Ar | 20 |
13 | 2000 | 1000 | 60% | 32 | 1 | Ar | 20 |
2 实验结果与讨论
2.1连续激光焊接焊缝表面成型如下图：
1.离焦量对焊缝表面的影响
激光深熔焊的离焦方式有三种：正离焦，零离焦与负离焦，一般要求焊接深度较大时采用负离焦，而针对薄材料焊接时多采用零离焦或者正离焦。在铝合金激光焊接中，离焦量的变化对焊缝的表面成形和熔深都有较大的影响。如上图1-4所示，在零焦点和正离焦量条件下焊缝成型比较平滑，但熔深随之变浅，甚至出现焊不透的现象。随着负离焦的增大，焊缝表面变得粗糙，熔深也随之增加。当离焦量为-2mm时，焊缝表面蒸发剧烈而出现沟壑，下表面也出现明显下塌。所以3003铝合金焊接的聚焦范围在-1mm左右时可获得较好的表面成型以及良好熔深。
2.焊接速度对焊缝表面的影响
激光焊接速度对焊缝表面成型影响也较大，如图5-8所示，在高速焊接时表面成型较为粗糙，随着速度的降低焊缝表面成型较为平滑，但速度过低由于单位输入的线能量较大，下表面也会出现下塌现象。
3.激光功率对焊缝表面的影响
在进行工艺参数优化时，同时发现在保持零离焦量和焊接速度等其他工艺参数不变的条件下，当功率低于1500W时，焊接基本不能进行，只是对表面进行一定加热。当高于1500W时，可以进行正常焊接。所以针对3系铝合金材料激光焊接，存在一个激光功率密度的阈值，当高于此阈值时才能实现焊接。
2.2脉冲激光焊接焊缝表面成型如下图：
采用脉冲模式对3003铝合金进行焊接，如图1-4所示，在激光功率为2000W，离焦量为0的位置时进行焊接，发现无论是改变调制频率还是占空比，焊点的成型均由于功率密度过大，造成焊缝熔池中低熔点Mn金属元素的蒸发汽化，蒸汽压力造成金属飞溅，焊缝表面粗糙，焊缝不连续，有孔洞。当占空接近100%（及接近连续焊接时），焊缝上表面会出现较严重的沟壑，下表面会出现下塌，如图5所示。
通过对比改变离焦量发现在离焦量为+1时焊缝表面成型最好，在离焦量为+2时虽然焊缝表面成型较好，但由于离焦太大激光功率密度不足，直接由深熔焊变为热传导焊，仅熔化工件表面，如图5-7所示。
采用单一变量法对6-7、6-11、7-8、8-9、10-11、12-13进行实验数据分析得知，激光功率密度对3003铝合金焊成型影响最大。激光频率与焊接速度两个参数共同决定了光斑重合率的大小，所以要获得致密鱼鳞纹可以增加激光焊接频率或者降低焊接速度，一般工业加工对产品产能有严格的要求，所以在进行需要控制鱼鳞纹致密性的焊接时，例如微波组件的激光封装焊接，要适当的提高激光焊接频率。激光焊接占空比不仅影响焊缝的深度和整个焊接件的变形程度，也会影响焊缝的热影响区晶粒的大小，这对焊接接头的承受抗拉压应力是极其重要的。
综上所述：通过连续-脉冲激光焊接的相比较，发现在单位时间内线能量一定的条件下，激光功率密度对3003铝合金的焊缝成型起着关键作用。所以在对3003铝合金进行焊接时不仅要考虑离焦量的变化，更重要的是选择激光器时要充分考虑激光器的光斑模式（即光纤激光器的模块组成分为单模和多模两种，单模激光器的纤芯比较细，光束质量优于多模，能量分布呈高斯分布，中间能量密度最高，三维图是一个尖圆的山峰状。多模激光器的纤芯相比粗一些，光束质量相比单模要差一些，能量分布相比单模光斑平均一些，三维图像一个倒扣的杯子，从边缘陡峭程度来看，多模的比单模的陡峭很多）。同时影响激光功率密度也有激光焊接头的准直聚焦的配比。