光纖激光器在鋁合金IT構(gòu)件產(chǎn)品中的應(yīng)用

朱寶華，肖 華

（深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518057）

光纖激光器在鋁合金IT構(gòu)件產(chǎn)品中的應(yīng)用

朱寶華，肖 華

（深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518057）

對脈沖激光器和光纖激光器焊接鋁合金IT構(gòu)件產(chǎn)品進(jìn)行對比試驗，考察了強(qiáng)度、效率、外觀、變形量等工藝參數(shù)。結(jié)果表明，光纖激光器能夠獲得更大的強(qiáng)度、更高的效率、更好的外觀以及相似的變形量。

鋁合金；光纖激光器；連續(xù)焊；脈沖點(diǎn)焊

0 前言

隨著手機(jī)、平板電腦、筆記本等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的更新發(fā)展，大量新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)得到了應(yīng)用，而鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、成型性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制作各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件，并采用激光脈沖點(diǎn)焊工藝做進(jìn)一步加工。在使用激光進(jìn)行脈沖點(diǎn)焊時，焊點(diǎn)極易產(chǎn)生裂紋，造成焊接強(qiáng)度下降，穩(wěn)定性也大大降低。傳統(tǒng)的CO2、YAG等連續(xù)激光器焊接鋁合金雖然能夠避免裂紋的產(chǎn)生，但是傳統(tǒng)激光器光束質(zhì)量差、體積龐大、維護(hù)費(fèi)用高、光電轉(zhuǎn)換效率低，在一定程度上制約了其在消費(fèi)類電子產(chǎn)品上的應(yīng)用。尤其是消費(fèi)類電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件都具有厚度薄、體積小、精度高等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)連續(xù)激光器焊接時易產(chǎn)生變形大、焊穿、燒熔等缺陷。

光纖激光器的快速發(fā)展為解決這一難題帶來了契機(jī)，光纖激光器誕生于20世紀(jì)60年代，受當(dāng)時技術(shù)條件限制，發(fā)展比較緩慢[1]。自1988年Snitzer等人提出雙包層光纖以來，基于這種包層泵浦技術(shù)的光纖激光器和放大器獲得了快速發(fā)展，光纖激光器的輸出功率水平快速提升，并廣泛應(yīng)用于高精度激光加工、激光醫(yī)療、光通信及國防等領(lǐng)域[2-3]。相對于傳統(tǒng)激光器，光纖激光器光束質(zhì)量好、體積小、精度高、光電轉(zhuǎn)換效率高[4]。在焊接消費(fèi)類電子產(chǎn)品的鋁合金結(jié)構(gòu)件時，能夠很好地避免傳統(tǒng)激光器焊接時存在的一些缺陷和問題。在此將光纖激光器和在消費(fèi)類電子產(chǎn)品鋁合金結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用廣泛的脈沖激光器進(jìn)行對比研究，以確定光纖激光器是否能夠成功應(yīng)用于此類產(chǎn)品上。

1 試驗材料和設(shè)備

1.1 試驗材料

試驗選取了具有代表性的5052鋁合金作為材料，并分析其化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。材料厚度為0.8 mm，焊接接頭為搭接接頭。

表1 實驗材料化學(xué)成分％

試驗所用脈沖激光器為YAG燈泵功率反饋脈沖激光器，激光器功率300 W，其外觀如圖1所示。光纖激光器采用IPG公司生產(chǎn)的單模光纖激光器，激光功率500 W，外觀如圖2所示。

圖1 YAG脈沖激光焊接機(jī)

圖2 IPG500W光纖激光器

試驗過程中采用金相分析法評估焊接質(zhì)量，通過拉力測試評估焊接強(qiáng)度，并通過測量焊后工件外觀尺寸的方法評估焊接變形。試驗中的焊接參數(shù)如表2、表3所示。

表2 脈沖激光器焊接參數(shù)

表3 光纖激光器焊接參數(shù)

1.2試驗設(shè)備

2 焊接缺陷

鋁合金激光焊接的主要缺陷是氣孔和裂紋，這點(diǎn)在脈沖激光焊接時體現(xiàn)的尤為明顯[5]。一般認(rèn)為鋁合金激光焊接產(chǎn)生的氣孔主要是氫氣孔和低熔沸點(diǎn)合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致的氣孔[6]。鋁合金線膨脹系數(shù)高，焊接應(yīng)力大，又是共晶型合金，易產(chǎn)生熱裂紋[7]。尤其是激光脈沖點(diǎn)焊時，單個脈沖作用時間短，熱循環(huán)速度快，裂紋傾向很大。而采用光纖激光器連續(xù)縫焊鋁合金時，由于熔池存在時間大大延長，改善了焊接應(yīng)力以及低熔點(diǎn)物質(zhì)對焊接裂紋的影響，極大地減少了焊接過程中產(chǎn)生裂紋的傾向。同時，熔池存在時間的延長也有利于熔池中氣體的排出，減少焊接氣孔的形成。

脈沖激光器鋁合金點(diǎn)焊焊點(diǎn)與光纖激光器縫焊焊縫金相對比如圖3所示，由圖3可知，光纖激光器連續(xù)縫焊條件下，裂紋和氣孔都得到了明顯的改善。

3 強(qiáng)度和穩(wěn)定性

焊接裂紋會明顯降低焊接接頭的強(qiáng)度，對產(chǎn)品的使用性和可靠性有巨大影響，是最具危害的焊接缺陷之一[8]。鋁合金脈沖激光點(diǎn)焊時，裂紋是影響焊接強(qiáng)度的一個重要因素，由于裂紋的不可避免性以及不規(guī)律性，造成鋁合金點(diǎn)焊的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料本身的強(qiáng)度，并且各個焊接產(chǎn)品之間的強(qiáng)度差異也很大，穩(wěn)定性較差。而光纖激光器連續(xù)焊接方式焊接鋁合金能夠避免焊接裂紋的產(chǎn)生，有效提高焊縫的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

光纖激光器和脈沖激光器焊接同一鋁合金產(chǎn)品的焊接拉力對比如圖4所示。經(jīng)計算，光纖激光器的平均拉力是脈沖激光器的3.9倍，而拉力數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差只有脈沖激光器的1/3。結(jié)合圖3的金相分析可知，光纖激光器的焊縫結(jié)合部位的寬度比脈沖點(diǎn)焊小得多，但是拉力能達(dá)到脈沖激光器的近4倍，這是因為：（1）光纖激光器焊縫在長度方向上仍有延伸，實際的有效結(jié)合面積并不比脈沖焊點(diǎn)??；（2）脈沖焊點(diǎn)的氣孔和裂紋等焊接缺陷造成其焊接強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材強(qiáng)度，而光纖激光器焊縫的強(qiáng)度接近母材。因此，光纖激光器在焊接該類型產(chǎn)品時，相比脈沖激光器能夠有效提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖4 脈沖激光器鋁合金點(diǎn)焊焊點(diǎn)與光纖激光器縫焊拉力對比

4 焊接效率

由于光纖激光器縫焊的拉力大大高于脈沖激光點(diǎn)焊，這為提高焊接效率提供了空間，通過減小焊縫條數(shù)和焊縫長度，能夠在較高的焊接效率條件下，實現(xiàn)與脈沖激光點(diǎn)焊相同甚至更高的焊接拉力。

在實際操作過程中，通過合理優(yōu)化焊接參數(shù)、焊縫條數(shù)、長度以及焊接位置等，光纖激光器分段連續(xù)縫焊工藝完全可以替代原有的脈沖激光點(diǎn)焊工藝。根據(jù)實際生產(chǎn)中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該工藝獲得了原有脈沖激光點(diǎn)焊工藝3倍以上的生產(chǎn)效率，同時，將焊接拉力提高到原有脈沖激光點(diǎn)焊工藝的1.5倍以上。

5 焊接變形

鋁合金線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形。激光焊接鋁合金的變形量相對較小，但是在焊接IT構(gòu)件類精密程度較高的產(chǎn)品時，即使微小的變形仍然會產(chǎn)生較大的影響，需要進(jìn)行預(yù)防控制。一般采用傳統(tǒng)連續(xù)激光器進(jìn)行縫焊的熱輸入量都要大于脈沖激光點(diǎn)焊，因此變形量也會比脈沖激光點(diǎn)焊大。而光纖激光器由于具有優(yōu)異的光束質(zhì)量，光斑更小，能量更集中，能夠以更快的速度和更小的熱輸入量進(jìn)行焊接，因此產(chǎn)品變形相對傳統(tǒng)連續(xù)激光器更小。

由于光纖激光器具有上述特點(diǎn)，同時光纖激光器焊接鋁合金IT構(gòu)件產(chǎn)品時的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于脈沖激光器，通過合理優(yōu)化光纖激光器的焊接參數(shù)、焊縫條數(shù)、焊縫長度以及分布位置，在滿足工件的強(qiáng)度要求的同時，減少了焊接過程中注入工件的整體熱量，以達(dá)到進(jìn)一步減小工件焊接熱變形的目的。經(jīng)測量，光纖激光器縫焊工件的整體焊接變形量超出脈沖激光點(diǎn)焊3.5％，相對脈沖激光點(diǎn)焊工藝差異不明顯，能夠滿足實際需求。

6 產(chǎn)品外觀

IT構(gòu)件類產(chǎn)品對外觀都有較高的要求，而鋁合金材料受元素偏析、表面粗糙度、氧化層等影響，造成工件表面激光吸收率不一致，這種現(xiàn)象對激光脈沖點(diǎn)焊影響較大[9]。采用脈沖激光點(diǎn)焊時容易出現(xiàn)未焊合、飛濺、煙塵等問題，影響產(chǎn)品外觀和性能，需要進(jìn)行二次清理。

脈沖激光器點(diǎn)焊焊點(diǎn)與光纖激光器縫焊焊縫的外觀對比如圖5所示。光纖激光器連續(xù)縫焊鋁合金時，焊接過程更加平穩(wěn)，不易產(chǎn)生飛濺和煙塵，無需要進(jìn)行二次清理，在外觀和工序上均優(yōu)于脈沖激光器。

7 結(jié)論

（1）采用光纖激光器連續(xù)縫焊鋁合金IT構(gòu)件產(chǎn)品可以避免脈沖激光點(diǎn)焊時常出現(xiàn)的焊接裂紋、氣孔等缺陷，大大提高了焊接強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。

（2）通過優(yōu)化光纖激光器的焊接參數(shù)、焊縫條數(shù)、焊縫長度以及分布位置，可以減小焊接變形，提高生產(chǎn)效率。

（3）光纖激光器焊接鋁合金IT構(gòu)件時，焊縫平滑美觀，不易產(chǎn)生飛濺、煙塵等，不需要進(jìn)行二次清理，減少了生產(chǎn)工序。

（4）光纖激光器分段縫焊工藝在焊接強(qiáng)度、外觀、生產(chǎn)效率等方面均優(yōu)于脈沖激光器點(diǎn)焊工藝，并且在變形量與脈沖激光器相當(dāng)，完全可以取代普通脈沖激光器在鋁合金IT構(gòu)件產(chǎn)品上的應(yīng)用，具有較高的應(yīng)用價值。

圖5 脈沖激光器點(diǎn)焊與光纖激光器縫焊外觀對比

[1]張勁松.高功率光纖激光器發(fā)展概況[J].光通信技術(shù)，2009（12）：8-10.

[2]Snitzer E，Hakimi P H，Tumminelli F，et al.Double-clad，offset core Nd fiber laser[C].Optical Fiber Communication Conf.，1988：PD5.

[3]樓祺洪，周軍，朱健強(qiáng)，等.高功率光纖激光器研究進(jìn)展[J].紅外與激光工程，2006（4）：135-138.

[4]曾惠芳，肖芳惠.高功率光纖激光器及其應(yīng)用[J].激光技術(shù)，2006，30（4）：439-439

[5]陶汪，陳彥賓，李俐群等.脈沖激光點(diǎn)焊鋁合金工藝特性研究[J].中國激光，2007，34（Suppl.）：307-307

[6]戴景杰.鋁合金激光焊接工藝特性研究[J].電焊機(jī)，2010，40（3）：21-22

[7]劉世永，孟德，黃德康.鋁合金激光焊接的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程材料，2004，28（9）：5-8.

[8]張大文.鋁合金激光焊接工藝研究[D].吉林：長春理工大學(xué)，2012.

[9]趙守輝.鋁合金激光點(diǎn)焊工藝優(yōu)化[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

Fiber laser welding application on aluminum alloy IT structure products

ZHU Baohua，Xiao Hua
（Han’s Laser Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，China）

The contrast experiments are done to find the difference about weld strength,efficiency,appearance and deformation between fiber laser and pulse laser，the results show that the fiber laser is better than pulse laser on weld strength,efficiency and appearance,and the weld deformation of two kinds of lasers are similar.

aluminum alloy；fiber laser；continues wave welding；pulse spot welding

TG456.7

B

1001-2303（2015）08-0036-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.08

2014-10-31；

2014-12-20

朱寶華（1981—），男，安徽人，高級工程師，碩士，主要從事激光焊接工藝研究工作。