連續(xù)-脈沖激光焊接3系鋁合金的工藝分析

日期: 2020-02-20
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劉東宇?王錦軍 上海飛博激光科技有限公司

隨著汽車行業(yè)的不斷壯大,純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車將共同主導(dǎo)中國新能源汽車市場的未來發(fā)展。電動(dòng)車輕量化和燃料電池的大量使用,必然涉及到越來越多的鋁合金焊接工藝。鋁合金具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能,是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的輕金屬材料。目前鋁合金材料的連接還主要是以惰性氣體鎢極保護(hù)焊和熔化極惰性氣體保護(hù)焊兩種傳統(tǒng)焊接工藝進(jìn)行焊接的。這兩種焊接工藝焊接速度慢、生產(chǎn)效率低,而且焊接熱輸入大,使得鋁合金焊接變形較大,同時(shí)焊接接頭處晶粒粗大,從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量較差。而作為一種高能量密度熱源的激光,具有較快的焊接速度和較小的熱輸入,因此焊接變形小,獲得的產(chǎn)品質(zhì)量也較為優(yōu)異。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

?1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用高光束質(zhì)量的飛博激光YDFL-2000-CW-MM高功率連續(xù)光纖激光器,工作模式為:CW/QCW,中心波長為1080nm,光束質(zhì)量M2<1.6;嘉強(qiáng)BW240-4KW光纖激光高功率以及具有同軸 CCD 顯示和照明功能的焊接頭(準(zhǔn)直聚焦配比為100:200);史陶比爾TX90六軸機(jī)器人。采用JZX91熔深顯微鏡觀察焊縫表面。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

按合金化系列,鋁及鋁合金可分為 1 系(工業(yè)純鋁)、2 系(鋁 - 銅)、3 系(鋁 - 錳)、4 系(鋁 - 硅)、5 系(鋁 - 鎂)、6 系(鋁 - 鎂 - 硅)、7 系(鋁 - 鋅 - 鎂 -銅)、8 系(其他)八類合金。不同的系列的鋁合金由于成分和組織的差異,所表現(xiàn)出來的焊接性能相差也是比較大的。3系鋁合金是防銹鋁合金,具有優(yōu)秀的防銹特性,成形性、熔接性、耐蝕性均良好,其中3003鋁合金通常用于動(dòng)力電池外殼,3A21 鋁合金用于微波組件外殼。本次實(shí)驗(yàn)采用3003鋁合金材料進(jìn)行了激光焊接測試。焊接接頭采用對(duì)接的方式,將工件切割成100mm*100mm*2mm板材進(jìn)行對(duì)焊。

3003?鋁合金標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)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 實(shí)驗(yàn)方法

在焊接前使用丙酮溶液超聲波清洗器 25?min,以清除試樣表面的油污等雜質(zhì)。采用連續(xù)激光和脈沖激光對(duì)試樣分別進(jìn)行焊接,焊接完成后在精密測量顯微鏡觀察焊縫表面形貌。

1.4實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由于鋁合金對(duì)激光具有高反射性,為防止回反光燒毀激光器,對(duì)焊頭做了5度的傾斜。在連續(xù)激光進(jìn)行焊接時(shí),分別對(duì)離焦量、激光器輸出功率和焊接速度 3 個(gè)工藝參量進(jìn)行優(yōu)化,以獲得連續(xù)激光焊的最佳工藝參量; 同時(shí),在脈沖激光進(jìn)行焊接時(shí),脈沖波形為方波,對(duì)脈沖能量進(jìn)行了優(yōu)化,以獲得脈沖激光焊的最佳工藝參量。優(yōu)化后焊接工藝參數(shù)如表 1和表 2?所示。

連續(xù)激光焊接參數(shù)優(yōu)化表1

序號(hào)

功率(W)

速度(mm/s)

離焦量(mm)

保護(hù)氣體

氣體流量(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

脈沖激光焊接參數(shù)優(yōu)化表2

序號(hào)

功率(W)

頻率(HZ)

占空比

速度(mm/s)

離焦量(mm)

保護(hù)氣體

氣體流量(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 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1連續(xù)激光焊接焊縫表面成型如下圖:

連續(xù)-脈沖激光焊接3系鋁合金的工藝分析

1.離焦量對(duì)焊縫表面的影響

激光深熔焊的離焦方式有三種:正離焦,零離焦與負(fù)離焦,一般要求焊接深度較大時(shí)采用負(fù)離焦,而針對(duì)薄材料焊接時(shí)多采用零離焦或者正離焦。在鋁合金激光焊接中,離焦量的變化對(duì)焊縫的表面成形和熔深都有較大的影響。如上圖1-4所示,在零焦點(diǎn)和正離焦量條件下焊縫成型比較平滑,但熔深隨之變淺,甚至出現(xiàn)焊不透的現(xiàn)象。隨著負(fù)離焦的增大,焊縫表面變得粗糙,熔深也隨之增加。當(dāng)離焦量為-2mm時(shí),焊縫表面蒸發(fā)劇烈而出現(xiàn)溝壑,下表面也出現(xiàn)明顯下塌。所以3003鋁合金焊接的聚焦范圍在-1mm左右時(shí)可獲得較好的表面成型以及良好熔深。

2.焊接速度對(duì)焊縫表面的影響

激光焊接速度對(duì)焊縫表面成型影響也較大,如圖5-8所示,在高速焊接時(shí)表面成型較為粗糙,隨著速度的降低焊縫表面成型較為平滑,但速度過低由于單位輸入的線能量較大,下表面也會(huì)出現(xiàn)下塌現(xiàn)象。

3.激光功率對(duì)焊縫表面的影響

在進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí),同時(shí)發(fā)現(xiàn)在保持零離焦量和焊接速度等其他工藝參數(shù)不變的條件下,當(dāng)功率低于1500W時(shí),焊接基本不能進(jìn)行,只是對(duì)表面進(jìn)行一定加熱。當(dāng)高于1500W時(shí),可以進(jìn)行正常焊接。所以針對(duì)3系鋁合金材料激光焊接,存在一個(gè)激光功率密度的閾值,當(dāng)高于此閾值時(shí)才能實(shí)現(xiàn)焊接。

2.2脈沖激光焊接焊縫表面成型如下圖:

連續(xù)-脈沖激光焊接3系鋁合金的工藝分析

連續(xù)-脈沖激光焊接3系鋁合金的工藝分析

采用脈沖模式對(duì)3003鋁合金進(jìn)行焊接,如圖1-4所示,在激光功率為2000W,離焦量為0的位置時(shí)進(jìn)行焊接,發(fā)現(xiàn)無論是改變調(diào)制頻率還是占空比,焊點(diǎn)的成型均由于功率密度過大,造成焊縫熔池中低熔點(diǎn)Mn金屬元素的蒸發(fā)汽化,蒸汽壓力造成金屬飛濺,焊縫表面粗糙,焊縫不連續(xù),有孔洞。當(dāng)占空接近100%(及接近連續(xù)焊接時(shí)),焊縫上表面會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的溝壑,下表面會(huì)出現(xiàn)下塌,如圖5所示。

通過對(duì)比改變離焦量發(fā)現(xiàn)在離焦量為+1時(shí)焊縫表面成型最好,在離焦量為+2時(shí)雖然焊縫表面成型較好,但由于離焦太大激光功率密度不足,直接由深熔焊變?yōu)闊醾鲗?dǎo)焊,僅熔化工件表面,如圖5-7所示。

采用單一變量法對(duì)6-7、6-11、7-8、8-9、10-11、12-13進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知,激光功率密度對(duì)3003鋁合金焊成型影響最大。激光頻率與焊接速度兩個(gè)參數(shù)共同決定了光斑重合率的大小,所以要獲得致密魚鱗紋可以增加激光焊接頻率或者降低焊接速度,一般工業(yè)加工對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)能有嚴(yán)格的要求,所以在進(jìn)行需要控制魚鱗紋致密性的焊接時(shí),例如微波組件的激光封裝焊接,要適當(dāng)?shù)奶岣呒す夂附宇l率。激光焊接占空比不僅影響焊縫的深度和整個(gè)焊接件的變形程度,也會(huì)影響焊縫的熱影響區(qū)晶粒的大小,這對(duì)焊接接頭的承受抗拉壓應(yīng)力是極其重要的。

綜上所述:通過連續(xù)-脈沖激光焊接的相比較,發(fā)現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)線能量一定的條件下,激光功率密度對(duì)3003鋁合金的焊縫成型起著關(guān)鍵作用。所以在對(duì)3003鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)不僅要考慮離焦量的變化,更重要的是選擇激光器時(shí)要充分考慮激光器的光斑模式(即光纖激光器的模塊組成分為單模和多模兩種,單模激光器的纖芯比較細(xì),光束質(zhì)量優(yōu)于多模,能量分布呈高斯分布,中間能量密度最高,三維圖是一個(gè)尖圓的山峰狀。多模激光器的纖芯相比粗一些,光束質(zhì)量相比單模要差一些,能量分布相比單模光斑平均一些,三維圖像一個(gè)倒扣的杯子,從邊緣陡峭程度來看,多模的比單模的陡峭很多)。同時(shí)影響激光功率密度也有激光焊接頭的準(zhǔn)直聚焦的配比。


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