6061铝合金激光穿透焊的焊缝成形

中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室 许 飞 陈 俐 郭路云

与常规熔焊方法相比，激光焊接具有能量密度集中、热输入低、焊接变形和残余应力小、接头质量优良、易于实现自动化柔性高效作业等优点，因此更加适合于铝合金结构的焊接[1-2]。大功率高亮度光纤激光是2002年以后发展起来的新型激光。与YAG激光相比，光纤激光具有更好的光束质量和激光亮度[2]。光纤激光的亮度比YAG激光高1～2个数量级，且光束可靠性高，光电转换效率可高达25%～30%[3]，故光纤激光具有更高的输出功率和更小的聚焦光斑，即激光的功率密度很高。光纤激光是激光技术发展的飞跃，更加促进了激光焊接技术的发展[2]。目前，采用YAG激光或光纤激光对铝合金的焊接性方面的研究相对较多[4-8]，而对这2种方法的对比研究相对较少。因此，开展此方面的研究，对推动光纤激光焊接技术的发展具有积极意义。

在实际工程应用中，激光焊接接头的力学性能一直是研究技术人员关注的对象，而焊缝横截面宏观形貌（形状）与焊接质量、焊接参数合理性、焊接参数控制稳定性以及接头力学性能都具有密切的联系[8-10]。因此，开展焊接参数对焊缝横截面宏观形貌的影响研究，具有一定的实际应用意义。

1 试验条件和方法

试验材料为2.5mm厚6061-T651铝合金，其化学成分如表1所示。6061铝合金是Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，具有中等强度，其耐蚀性能好，成形性和工艺性能良好，在航空航天和现代建筑等领域获得了广泛应用。铝合金板材被加工成200mm×100mm，焊前用化学清洗方法彻底去除试板表面的油污和氧化膜。

试验采用YLS-5000型光纤激光器和HL3006D型YAG激光器，激光器的主要技术指标如表2所示。激光通过光纤传输并反射聚焦于工件表面。焊接过程中工作台静止，由ABB机械手带动激光头相对运动来实现激光焊接。为减小反射光对激光器和外光路光学元件的损害，焊接过程中激光头的中轴线逆着焊接方向偏转10°，同时通入2路纯氩气保护熔池和焊缝高温区的正反面成形。所有焊接的离焦量均采用零。焊接试验采用平板堆焊方式。金相试样从焊缝中截取，经2%～3%的NaOH碱溶液腐蚀后，采用Olympus S231TR体式显微镜观察接头横截面形貌。在焊接工艺基础上，对比光纤激光和YAG激光对6061铝合金焊缝成形的影响。

表1 6061铝合金的化学成分（质量分数）%

表2 激光器的主要技术指标

2 不同激光作用下的焊缝成形

分别采用光纤激光和YAG激光对6061铝合金母材开展激光焊接试验，获得的焊缝横截面形貌如图1所示（1.5m/min，3kW）。可以发现，在相同焊接参数条件下，光纤激光焊缝横截面呈现X形，而YAG激光焊缝横截面为钉头形。这与激光的功率密度密切相关。经计算，此时光纤激光的功率密度约为4.87×106W/cm2，而YAG激光的功率密度仅为1.06×106W/cm2。当激光的功率密度高于106W/cm2时，激光可以使金属瞬间熔化、汽化，并逐渐形成“小孔效应”深熔焊接[11]。当熔池贯穿母材壁厚时，即形成穿透焊接。在较高能量密度的光纤激光作用下，母材更易于实现穿透焊接，而且焊接小孔能够始终保持贯穿熔池状态。此时，焊接小孔和作用于熔池上、下表面附近的高温金属蒸气/等离子体的热辐射可以看作是“两点一线”热源[12]，故光纤激光焊缝横截面更易于形成近X形。而在YAG激光作用下，虽然可以实现熔池穿透，但却无法维持小孔的稳定穿透，而瞬间的小孔穿透，无法为熔池下表面提供足够的高温金属蒸气/等离子体，故此时也仅能认为是“一点一线”热源，故在YAG激光作用下，更趋向于生成钉头形焊缝形貌。

图1 不同光源作用下的接头横截面形貌Fig.1 Cross-section shaping of joints by different light sources

3 焊接速度对焊缝成形的影响

当激光功率恒定时，焊接速度对焊缝横截面形貌的影响如图2所示。可以发现，当采用高功率密度的光纤激光焊接，激光功率为3kW时，焊接速度在较大的范围内（1.5～4.5 m/min）变化均可以获得稳定全熔透焊缝。而YAG激光焊接速度仅能在0.8～1.8m/min范围内获得稳定全熔透焊缝。当光纤激光焊接速度低于1.5m/min，或YAG激光焊接速度低于0.8m/min时，焊缝表面会产生严重的焊塌，进而影响接头表面质量。当光纤激光焊接速度高于4.5m/min或YAG激光焊接速度高于1.8m/min时，激光焊接虽然继续保持“小孔效应”深熔焊接，但却无法实现稳定全熔透焊接，焊缝内部会产生大量气孔[13]，焊接接头质量明显恶化。同时还发现，当焊接速度增大时，光纤激光焊缝横截面形貌逐渐由近X形向钉头形转变，而YAG激光焊缝横截面形貌的钉头形特征更加明显。

图2 焊接速度对焊缝横截面形貌的影响Fig.2 Effect of welding speed on weld cross-section shaping

当采用较高的激光功率（4.5kW）时，焊接速度对光纤激光焊缝横截面形貌的影响如图3所示。与图2对比发现，当激光功率较高时，光纤激光焊缝生成近X形截面的工艺区间更大（1.5～6m/min）；当激光功率较低时，光纤激光焊缝生成钉头形截面的工艺区间更大（3～4.5m/min）。故当激光功率较高时，光纤激光焊缝更趋向于生成近X形截面形貌。而YAG激光受激光器额定功率限制，无法输出更高的激光功率，故更易于生成钉头形焊缝截面形貌。

4 激光功率对焊缝成形的影响

当焊接速度恒定（3m/min）时，激光功率对光纤激光焊缝横截面形貌的影响如图4所示。可以发现，随着激光功率的逐渐增加，焊缝横截面逐渐由钉头形向近X形转变。当激光功率高于某一阈值且逐渐增加时，焊接小孔始终贯穿熔池，并且在熔池下表面附近形成越来越强烈的高温金属蒸气/等离子体，故焊缝横截面的近X形特征也愈加明显。

图3 焊接速度对光纤焊缝横截面形貌的影响Fig.3 Effect of welding speed on weld cross-section shaping by fiber laser beam

5 焊接热输入对焊缝成形的影响

焊接热输入是激光功率和焊接速度的比值，用来表征焊接过程中的能量输入。从焊接速度和激光功率对焊缝横截面形貌的影响分析发现，随着焊接速度的逐渐降低或激光功率的逐渐增加，即焊接热输入的逐渐增大，激光焊缝横截面形貌逐渐由钉头形向近X形转变。与YAG激光焊接不同的是，光纤激光焊缝横截面为近X形时，焊接过程更加稳定，更易于获得质量优良的焊接接头。

6 结论

（1）由于光纤激光的功率密度比YAG激光高，故光纤激光更易于保持熔池的小孔穿透焊接，也更趋向于生成近X形横截面的焊缝形貌。而YAG激光易于生成钉头形横截面的焊缝形貌。

图4 激光功率对光纤焊缝横截面形貌的影响Fig.4 Effect of laser power on weld cross-section shaping by fiber laser beam

（2）与YAG激光相比，光纤激光焊接时获得稳定全熔透焊缝的工艺区间更大。当焊接速度增大或激光功率降低时，光纤激光焊缝横截面形貌逐渐由近X形向钉头形转变，而YAG激光焊缝横截面形貌的钉头形特征更加明显。当激光功率较高时，光纤激光焊缝更趋向于生成近X形截面形貌。

（3）焊缝成形受激光功率密度和焊接热输入双重因素的影响。

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