鋁合金AL3003的激光焊接工藝研究

吳曉紅

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

目前，環(huán)境的污染以及石油危機越來越嚴(yán)重，汽車技術(shù)正經(jīng)歷著燃料多元化、動力電氣化等重大技術(shù)變革。具有高效節(jié)能、低排放或零排放優(yōu)勢的電動汽車是解決環(huán)境危機以及石油危機的必然選擇，因此受到世界各國的高度重視［1］。而新能源汽車開發(fā)的最大瓶頸是車載動力電池。動力電池的壽命、安全性等對新能源汽車的性能起到至關(guān)重要的作用，電池的外殼是動力電池至關(guān)重要的一個部件，起到封裝的作用。

AL3003鋁合金是鋁錳合金系列材料，具有防銹性、成型好、熔接性、耐腐蝕性等優(yōu)良特性，被廣泛用于制備動力電池的外殼等。由于鋁合金（AL3003）對激光反射率高，熱傳導(dǎo)性高，且在焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體對激光的屏蔽作用，激光焊接時，需要較大的激光功率密度。另外，鋁合金內(nèi)部其他的元素如猛、硅、鋅、銅等元素與鋁的熔點不一致，這些低熔點金屬在加熱過程中容易氣化使得熔池中產(chǎn)生氣孔，使得焊接過程中不穩(wěn)定的因素增加。傳統(tǒng)焊接動力電池鋁合金外殼常采用YAG脈沖激光，王中林采用450W固體YAG激光器對0.6mm的AL3003進行了密封焊接試驗［2］。王中林還針YAG激光器焊接效果進行了理論分析［3］。對于固體YAG激光器，焊接時具有焊接效率低，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。光纖激光是近幾年發(fā)展起來的先進技術(shù)，光纖激光器比起傳統(tǒng)的YAG脈沖激光器、CO2激光器，具有質(zhì)量輕，光束好，能量轉(zhuǎn)換高，維護簡單等優(yōu)點。本文主要采用500W光纖激光器對厚度為1mm的AL3003鋁合金進行搭接焊研究 ，分析鋁合金的光纖激光焊接特性及其主要影響因素，以控制和優(yōu)化鋁合金光纖激光焊接工藝。

1 試驗條件和方法

焊接設(shè)備中的激光器采用IPG多模光纖激光器，如圖1所示，工作臺采用華工激光設(shè)計的四軸聯(lián)動工作臺，整體布置如圖2。

圖1 激光器

材料均為1mm厚度的AL3003鋁合金，化學(xué)成分如表1。焊接完成后采用手持式電子顯微鏡（最大放大倍數(shù)為250倍）觀察焊縫表面及背面外觀情況。

圖2 整體布局

表1 AL3003的化學(xué)成分（質(zhì)量份數(shù)百分比）

2 試驗結(jié)果分析

2.1 正交試驗

在保持激光焊接功率不變的情況下（90%：445W），對焊接速度和離焦量兩個參數(shù)進行正交試驗，所取因素水平見表2，并分析其對焊接質(zhì)量的影響。

表2 因素水平表

根據(jù)兩因素三水平正交試驗的設(shè)計原理，對表2的工藝參數(shù)進行搭配，共有六種組合方式。因此在平板上進行六組激光焊接試驗，試驗編號在表3中列出。

表3 正交試驗結(jié)果及分析

2.2 焊接速度的影響

當(dāng)速度為20mm／s時，只有在焦點處才能將1mm的鋁合金（牌號為3003）完全焊透，在一定離焦情況下（正負離焦0.3mm）均無法焊透，如圖3a所示，鋁板背面無明顯焊縫。當(dāng)焊接速度為10mm／s時，在一定的離焦量范圍內(nèi)（正負0.3mm），均能焊透1mm的鋁合金，如圖3b所示，鋁板背面有明顯焊縫。這是因為在速度較快時，熱量的累積不夠，鋁合金的表面對激光的吸收率本來降低，從而達不到焊透的效果。當(dāng)速度較慢時（10mm／s），單位時間單位面積上激光的輸入功率越大，并且熱量的累積也越多，焊縫的熔深也較深。但是速度過慢又會導(dǎo)致材料過度熔化，焊縫過寬，熱影響區(qū)過熱，熱裂紋傾向增大，因此當(dāng)工件厚度一定時，存在一維持熔深、熔寬的最佳焊速［4］。

2.3 離焦量的影響

在鋁合金激光焊接中，離焦量的變化對焊縫的表面成形和熔深都有很大的影響，研究表明，離焦量對焊縫成形的影響為拋物線趨勢，存在最佳離焦量［5］。當(dāng)離焦量為正0.3mm時，搭接縫隙后面只有輕微的痕跡，即熔深未全部達到1mm，此時的抗強度不是很高。當(dāng)離焦量為0時（焦點位置），焊接過程中產(chǎn)生輕微飛濺，焊接后的焊縫會有高低不平等缺陷，如圖4a、圖4b所示（圖4b為焊縫放大50倍外觀圖）。這可能是在焦點處激光能量密度太高，導(dǎo)致鋁合金中的一些低熔點金屬元素氣化而導(dǎo)致的飛濺。當(dāng)離焦量為負0.3mm時（激光焦點在工件表面的下面），熔深比正離焦時要深，焊接過程中無飛濺產(chǎn)生，焊縫表面無明顯缺陷，很光滑，如圖4b所示。當(dāng)有一定的離焦量時，激光能量在聚焦光斑處分布較均勻，使得焊接過程相對穩(wěn)定。隨離焦量的負值增加熔深增大，其原因在于負離焦量時，小孔內(nèi)的功率密度比工件表面的高，蒸發(fā)量更大，因而得到更大的熔深，在選擇激光功率的同時必須要選擇與其相應(yīng)的離焦量，以保證獲得光滑的焊縫表面成形［6］。

2.4 保護氣體

激光焊接時需采用保護氣體進行保護，其作用是排除空氣中的氧氣及氮氣對焊接過程的影響，使焊縫免受污染。鋁受熱后容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熔點更高的氧化鋁，使得焊接過程不穩(wěn)定，鋁還容易與氮氣反應(yīng)產(chǎn)生容易Al－N脆性相，同時易形成氣孔等。另外，自離子化的金屬母材蒸氣，以及保護氣體的電離均會在焊縫表面產(chǎn)生光致等離子體。等離子體濃度較低時吸收部分激光，然后熱傳遞給鋁合金，增加鋁合金對激光的吸收進而增加熔池的深度。但是等離子體濃度較高時，會在激光與材料之間形成屏蔽層，阻礙材料對激光能量的吸收，同時還會改變光束聚焦形態(tài) ，使激光束發(fā)生折射、偏轉(zhuǎn)。這種情況下，焊縫的熔深會降低而且由于等離子體濃度的不穩(wěn)定導(dǎo)致激光焊接過程不夠穩(wěn)定。激光焊接傳統(tǒng)上采用Ar，N2，He 3種保護氣體，理論上He最輕且電離能最高，最不容易產(chǎn)生光致等離子體，使用He氣誘導(dǎo)小孔時，由于He氣本身質(zhì)輕而逸出，氣孔形成機率小，因此熔深不夠。采用混合氣體如Ar－O2，N2－O2等氣體保護效果較好［7］，但是混合氣體中氣體的比例需要大量實驗摸索。綜合考慮，采用Ar進行保護，調(diào)節(jié)保護氣流與工件的距離、角度以及氣流量大小來得到最佳焊接效果，結(jié)果表面，當(dāng)氣流與工件的距離為4 mm（氣流的延長線在工件的交點與激光在工件上交點的距離），氣流束與工件水平面夾角為45°時，氣流量大小為1.0m3／h時，可以獲得飛濺較少、表面成形良好且熔深較深的焊縫。

3 結(jié) 語

（1）采用光纖激光焊接工藝實現(xiàn)了AL3003鋁合金的焊接。通過正交試驗，速度為10mm／s以及離焦量為負0.3mm時得到焊縫外觀良好，且熔深足夠深的焊接效果。

（2）通過分析，焊接速度對焊縫熔深的影響最大，離焦量對焊接外觀影響最大。

（3）采用Ar進行保護時，氣流與工件距離4 mm，夾角45°，氣流量大小為1.0m3／h時，焊接效果最好。

1 王少龍，侯明，王瑞山.動力電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.云南冶金，2010，39（2）：75－8.

2 王中林.AL3003動力電池外殼激光焊接密封試驗［J］.激光雜志，2012，33（6）：65－66.

3 王中林.動力電池外殼激光焊接試驗分析［J］.試驗與研究，2012，41（7）：11－12

4 王希靖，片山圣二.不同鋁合金在激光焊接時的熔化和蒸發(fā)特性［J］.焊接學(xué)報，1995，16（3）：31－33.

5 Zhuang Lei，Luo Yu.Study on laser welding of Al－Li alloy［R］.AWJT，2005.

6 戴景杰.鋁合金激光焊接工藝特性研究［J］.電焊機，2010，40（3）：20－23

7 Wang Wei，Xu Guangying，Duan Aiqin，et al.Study on Porosity Formation Mechanism in Laser Welding 1420Al－Li Alloy［J］.AWJT＇2005：B43－B49.