6063铝合金单模光纤激光焊接工艺研究

吕志超，洪洋，赵国江

6063铝合金单模光纤激光焊接工艺研究

吕志超1，洪洋1，赵国江2

（1. 台州科技职业学院，浙江 台州 318020； 2. 浙江邦得利环保科技股份有限公司，浙江 台州 317000）

针对采用脉冲激光点焊的6063铝合金焊点拉力较低，无法满足实际需求的问题，研究6063铝合金激光焊接的最优工艺方案，以提升焊点拉力。采用单模光纤激光对6063铝合金进行焊接，通过极细的线宽组成螺旋点，代替单个脉冲激光点焊。对激光功率、焊接速度及离焦量等工艺参数进行正交实验，得到最佳工艺参数，并通过分析焊缝外观与微观组织，解释焊点拉力提升的原因。当激光功率为70 W，焊接速度为100 mm/s，离焦量为0时，焊点拉力达到最大的65 N，此时的工艺参数为最佳工艺参数。6063铝合金单模激光焊点拉力是脉冲激光焊点拉力的3倍。单模光纤激光螺旋线焊接时，激光能量在光斑范围内均匀分布，且有较大的功率密度，形成焊缝表面与焊缝底部宽度几乎一致的焊缝形状，有利于提高焊点拉力，为实际生产提供技术参考。

6063铝合金；单模激光器；激光焊接；拉力

铝合金材料具有比重轻、强度高、易于加工成形、耐腐蚀性好等优点，已经在航空航天、五金、汽车等行业得到广泛使用[1-3]。随着科学技术的进步，对铝合金焊接的焊缝质量及生产效率提出了更高要求。激光焊接具有能量密度高、总体热量输入少、焊接后变形量小、与工件非接触容易实现自动化等优点，在铝合金焊接方面具有广阔的应用前景[4-13]。

铝合金对激光的反射率高，需要较高的激光能量才能实现焊接，另外铝合金中的低熔点元素如Mg，Zn等容易发生烧损，导致焊接接头强度降低，影响实际使用[14-15]。6063铝合金强度高，耐摩擦性能好，是一种应用前景广阔的铝合金材料，目前对6063铝合金激光焊接的研究报道较少，仅有吴世凯等[16]采用3500 W的CO2激光器，对厚度为5 mm的AA6063-T6铝合金板材进行焊接的报道，他们通过填充焊丝，使焊缝抗拉强度达到母材的90%。对于薄板（厚度小于1.0 mm）6063铝合金激光焊接，未见有报道，薄板材料一般采用Nd: YAG激光器进行点焊，这样可以降低热变形，以及提高生产效率，但焊点拉力较低，无法满足实际生产要求。随着激光器技术的进一步发展，单模光纤激光器技术越来越成熟，光束质量也越来越好，对提高焊点拉力有较大帮助。

文中采用1000 W单模光纤激光器焊接螺旋线，形成焊点，通过优化工艺参数，得到焊点拉力最大的效果，并且与脉冲激光点焊的焊点拉力进行对比研究，为实际工程应用提供有价值的参考。

1 焊接实验

1.1 材料

材料为铝合金材料，牌号为6061，厚度为0.5 mm，材料的化学成分见表1。将材料切割成200 mm×100 mm的板材，用酒精、水清洗干净，备用。焊接方式为搭接，采用自制工装夹具将待焊工件夹紧。

表1 6061铝合金的化学成分（质量分数）

1.2 设备

实验设备采用IPG公司生产的单模光纤激光器进行焊接，光纤直径为0.14 µm，平均功率为1000 W，实验平台主要由激光器、电脑、光路系统以及控制系统组成，如图1a所示。激光被扫描振镜片反射，并且通过F物镜焦于工作平面，振镜片在/电机的驱动下高速旋转，在平面内形成各种轨迹，如圆形、矩形、直线、螺旋线等，在经过F物镜聚焦后，光斑大小约为0.28 mm，光路系统示意图如图1b所示。脉冲激光点焊采用500 W的Nd: YAG激光器，峰值功率达到8000 W，激光束经过光路系统聚焦后，光斑大小约为0.4～1.0 mm。采用济南华兴实验设备有限公司生产的电子拉力实验机（规格型号：WDH-10）对焊缝进行拉力测试。采用金相显微镜对焊缝外观进行测试，品牌为北京北极星辰，型号为XJB200。

图1 实验平台

2 激光焊接工艺实验及结果

2.1 焊接图形设计及外观对比

脉冲激光点焊采用500 W的Nd: YAG激光器进行焊接，焊接范围要求为0.6～0.8 mm，脉冲激光点焊的聚焦光斑大小刚好满足，激光发出一个脉冲，作用在材料上，形成一个焊点，焊点示意图如图2a所示。

单模光纤激光器的聚焦光斑由于只有0.28 mm，激光束通过运行一个螺旋线，形成焊点，螺旋线的直径为0.8 mm，螺旋线的圈数为4，每个圈之间有一定的激光重叠率，形成直径为0.8 mm的激光焊点，焊点示意图如图2b所示。脉冲激光点焊的外观如图2c所示，螺旋线形成的焊点外观如图2d所示，两者的焊点大小几乎一致，外观上无明显差异。

图2 焊点示意及外观

2.2 工艺参数正交实验

脉冲激光点焊的主要工艺参数为激光峰值功率、脉冲宽度、离焦量，对0.5 mm的6061铝合金进行激光焊接工艺预实验，当激光峰值功率为2400 W时，峰值功率较小，焊点拉力较小，为3 N；当激光峰值功率为3600 W时，焊缝表面有飞溅，焊点拉力也较低，为4 N。当脉冲宽度为3 ms时，焊点直径较小，拉力值较小，为3 N；当脉冲宽度为9 ms时，焊点直径为0.9 mm，超过了0.6～0.8 mm的焊接范围。当离焦量为0时，由于功率密度较大，焊缝有飞溅，外观无法满足要求；当离焦量为6 mm时，由于功率密度急剧降低，焊点拉力较小，为4 N。三因素三水平如表2所示。

表2 脉冲激光点焊因素水平表

单模光纤激光螺旋线焊接的主要工艺参数为激光平均功率、焊接速度以及离焦量，当激光平均功率为500 W时，焊点拉力较小，为4 N；当激光平均功率900 W时，有部分材料飞溅，焊点拉力也较小，为3 N。当焊接速度为90 mm/s时，热量累积过大，材料有烧蚀现象，焊点拉力较低，为5 N；当焊接速度为170 mm/s时，热量累积较小，焊接宽度深度均较小，焊点拉力较小，为4 N。当离焦量为0，于功率密度较大，焊缝有飞溅，无法达到外观要求；当离焦量为6 mm时，由于功率密度急剧降低，焊点拉力较小，为4 N。三因素三水平如表3所示。

表3 单模光纤激光螺旋线焊接因素水平表

脉冲激光点焊的三因素三水平正交实验共9组，当峰值功率为3000 W，脉冲宽度为8 ms，离焦量为1 mm时，焊点拉力达到最高的17 N，为最佳工艺参数。

激光峰值功率因素A取水平1（A=2500 W）的共有3组实验，将这3组实验的焊点拉力累加，得统计量1=35，取水平2得到焊点拉力累加，得统计量2=46，取水平3得到焊点拉力累加，得统计量3=33，统计量值越大，说明因素在该水平下拉力值越大，2值最大，表明因素A取水平2（A=3000 W）时，焊点拉力值最大；同理，得到其他因素（脉冲宽度、离焦量）的焊点拉力统计量值，如表4所示。极差值用表示，值越小，表明该因素对焊点拉力的影响越小；反之，值越大，表明该因素对焊点拉力的影响越大。从表4可以看出，对焊点拉力影响的因素由主到次依次为：峰值功率，脉冲宽度，离焦量。

表4 脉冲激光点焊正交实验结果

单模光纤激光螺旋线焊接的三因素三水平正交实验共9组，当平均功率为3000 W，焊接速度为160 mm/s，离焦量为1 mm时，焊点拉力达到最高的47 N，为最佳工艺参数。

激光平均功率因素取水平1（A=600 W）的共有3组实验，将这3组焊点拉力累加，得统计量1=98，同理得到其他因素的拉力值统计量，如表5所示，其中为极差值，由极差值可知，影响焊点大小的因素由主到次依次为离焦量、平均功率、焊接速度。

2.3 焊缝外观及微观组织分析

图3a为脉冲激光点焊在最佳工艺参数条件下的焊点切片，焊缝表面的宽度大，随着熔深的增加，焊缝宽度减小，在上下2层材料之间的焊缝宽度约为焊点表面宽度的1/3，这是因为脉冲激光的能量在0.8 mm的光斑范围内主要分布在光斑中心，光斑边缘的能量较低，只能熔化材料表面，而不能继续往下穿透，形成了上面宽、下面窄的焊缝。图3b为单模光纤激光螺旋焊接在最佳工艺参数条件下的焊点切片，焊缝表面的宽度与脉冲激光点焊的宽度基本一致，随着熔深的增加，焊缝宽度没有明显减小，在上下2层材料之间的焊缝宽度几乎和焊点表面宽度一样，这是因为采用单模光纤激光螺旋焊接时，单模光纤激光的聚焦光斑为0.28 mm，激光能量在光斑范围内均匀分布，且有较大的功率密度，在螺旋线最外圈，激光能量足以将材料熔透，形成焊缝表面与焊缝底部宽度几乎一致的焊缝形状。在拉力测试时，受力位置主要为上下2层材料之间的焊缝宽度，宽度越大，焊点的拉力越大，单模光纤激光螺旋焊缝在上下2层材料之间的焊缝宽度为脉冲激光点焊焊缝宽度的3倍，因此单模光纤激光螺旋焊接的焊点拉力也是脉冲激光点焊的3倍。

表5 单模螺旋焊接正交实验结果

图3 焊点切片

图4a为6061铝合金母材金相组织，晶粒大小不均匀，形状不规则且晶粒较为粗大，为典型的α-Al组织。图4b为激光脉冲点焊在最佳工艺参数条件下的焊缝中心显微组织，为铝合金树枝晶结构，晶粒尺寸相对6061铝合金母材，得到明显的细化，这是因为激光脉冲点焊对铝合金材料进行快速加热和快速冷却，使焊缝晶粒细化。图4c为单模光纤激光螺旋焊接在最佳工艺参数下的焊缝中心显微组织，为铝合金树枝晶结构，晶粒尺寸相对激光脉冲激光点焊的金相组织没有明显差异。

图4 焊点微观组织

3 结论

分别采用脉冲激光点焊和单模光纤激光螺旋焊接的方式对6063铝合金进行搭接焊接，并且进行正交优化实验，脉冲激光点焊的焊点拉力最高达到17 N，最佳工艺参数如下：峰值功率为3000 W，脉冲宽度为8 ms，离焦量为1 mm；单模光纤激光螺旋线焊接的焊点拉力最高达到47 N，最佳工艺参数如下：平均功率为3000 W，焊接速度为160 mm/s，离焦量为1 mm。

脉冲激光点焊和单模光纤激光螺旋焊接在最佳工艺参数条件下的外观几乎一致，无明显区别；金相组织及晶粒尺寸没有明显差异。单模光纤激光螺旋焊缝在上下2层材料之间的焊缝宽度为脉冲激光点焊焊缝宽度的3倍，因此单模光纤激光螺旋焊接的焊点拉力也是脉冲激光点焊的3倍。

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Single-Mode Fiber Laser Welding Process of 6063 Aluminum Alloy

LYU Zhi-chao1, HONG Yang1, ZHAO Guo-jiang2

(1. Taizhou Vocational College of Science and Technology, Taizhou 318020, China; 2. Zhejiang Bondlye Environmental Technology Co., Ltd., Taizhou 317000, China)

The work aims to study the optimum laser welding process scheme for 6063 aluminum alloy to improve the tension of welding spot in view of that the tension of 6063 aluminum alloy spot-welded by pulse laser is low and fails to meet the actual needs. The single-mode fiber laser was used to weld 6063 aluminum alloy, and the spiral spots were formed by extremely fine line to replace single pulse laser spot welding. The orthogonal experiment was carried out to laser power, welding speed and defocus to obtain the optimum parameters. Through the analysis on the appearance and microstructure of the weld, the reason for the increase of the welding spot tension was explained. When laser power was 70 W, welding speed was 100 mm/s, and defocus was 0, the tension of spots reached the maximum 65 N, and the process parameters were the best. The tension of single-mode laser welding spot was 3 times that of pulse laser welding spot. In welding with single-mode fiber spiral laser, the laser energy is evenly distributed in the spot range and has a large power density, forming a weld shape with the weld surface width almost the same as that of the weld bottom, which is conducive to improving the tension of welding spot and providing technical reference for actual production.KEY WORDS: 6063 aluminum alloy; single-mode fiber laser; laser welding; tension

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.020

TG456.7

A

1674-6457(2022)01-0159-06

2021-05-06

国家重点研发计划（2017YFC0211200）；台州市科技计划（2003gy36）

吕志超（1987—），男，硕士，工程师，主要研究方向为结构强度分析、焊接工艺分析。