激光傾斜角對鋁合金焊點熔深的影響

夏豐濱，朱寶華，李小婷，肖華，黃裕佳

(大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052)

鋁合金重量輕、韌性好、高屈強比且易于加工成形，在工業(yè)生產(chǎn)特別是在汽車和航天工業(yè)中一些復(fù)雜構(gòu)件上的應(yīng)用日益廣泛，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，可大大降低結(jié)構(gòu)重量［1－5］。鋁是較為活潑的金屬，鋁及其合金導(dǎo)熱性很高，表面極易形成難熔的氧化膜，使用傳統(tǒng)焊接方法在焊縫中容易形成未熔合、夾雜、氣孔、結(jié)晶裂紋等缺陷［6－7］。與鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊相比，激光焊鋁的速度快、焊縫窄、熱應(yīng)變小，搭接接縫減少［8－10］。隨著工業(yè)發(fā)展對高效、環(huán)保、自動化的需要，激光技術(shù)的應(yīng)用迅速普及到制造業(yè)的許多領(lǐng)域，在此基礎(chǔ)上，激光焊接工藝將成為激光應(yīng)用的重要方面之一。

由于鋁合金對激光的反射率較高，為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而對激光聚焦鏡造成傷害，焊接過程中通常把焊接頭偏轉(zhuǎn)一定角度，選擇4°～5°最佳。本文進一步探索激光傾斜角度對焊點形態(tài)、有效結(jié)合面以及深度的研究。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗材料和設(shè)備

選擇鋁鎂合金5052為試驗材料，試件尺寸50mm×10mm ×0.8 mm，50mm ×10mm ×2 mm，將兩層板進行點焊疊焊在一起。

焊接設(shè)備為PB300焊接機(Han's laser)，最大輸出功率6 kW，傳輸光纖FSI-600，焊接頭準直聚焦系統(tǒng)由焦距為150 mm的準直鏡和焦距為150 mm的聚焦鏡組成。

1.2 試驗方法

把兩塊鋁片用夾具夾緊后進行點焊。激光輸出波形采用脈沖波形(圖1)，激光束傾斜角度為0°～60°，激光束傾斜方向與激光掃描方向相同(圖2)。對焊接后的樣品制作金相，在金相顯微鏡下觀察焊縫形貌，并測量熔深和熔寬。

圖1 脈沖波形示意圖Fig.1 Diagram of pulse waveform

圖2 激光焊接示意圖Fig.2 Schematic illustration of laser welding

2 結(jié)果與討論

2.1 截面形貌

圖3為激光束偏離不同角度點焊鋁合金后的截面微觀形貌?？梢钥吹剑缚p呈“Y”型，隨著激光束傾斜角度的增加，焊縫根部與激光束的偏移方向一致。

圖3 激光束傾斜不同角度時鋁合金焊點形貌Fig.3 Weld morphologies of aluminum alloy at various tilt angles of laser beam

激光焊接分為熱傳導(dǎo)焊和深熔焊，深熔焊時會形成“小孔”效應(yīng)，當激光束發(fā)生偏移時，“小孔”作用的熔池也發(fā)生相應(yīng)偏移。另外，圖(a)～(d)焊點根部中均有孔洞存在，(e)和(f)中氣孔缺陷得到改善。“匙孔”塌陷而形成的孔洞是鋁合金中焊接過程中形成的孔洞缺陷之一，隨著傾斜角度增大，從流體力學(xué)上來說，在自身重力以及外界大氣壓下小孔不會輕易破滅，熔池中的液態(tài)金屬能及時填充小孔。然而，傾斜角度達到60°時，激光束已經(jīng)不能熔化下層金屬，焊點的有效深度急劇減小，點焊只能穿透上層鋁板，不能熔合下層鋁板。對比圖(a)～(g)，裂紋傾向得到改善。

圖4為焊點熔深、熔寬和激光束傾斜角度的關(guān)系，隨著光束傾斜角逐漸增大，焊接熔深和有效熔深的變化趨勢一致，焊點直徑和有效直徑變化趨勢一致，熔深和熔寬成反比變化。光束垂直入射比傾斜入射時，熔池的有效熔化面積要少，故在垂直入射時，焊點的直徑及有效結(jié)合面較小。傾斜角50°時，焊點直徑及有效結(jié)合面最大。鋁合金作為高反射材料，對Nd∶YAG激光的反射率高達80%，一般而言，為了防止激光束垂直入射造成垂直反射而對激光聚焦鏡造成傷害，焊接過程中通常把焊接頭偏轉(zhuǎn)一定角度。隨著傾斜角進一步增大，深熔焊的“小孔”已經(jīng)不能及時穿透下層鋁板，當傾斜角達到60°時，兩層鋁板已經(jīng)不能熔合在一起。垂直入射時，焊點熔深和有效熔深最大，隨著激光束傾斜，焊點熔深和有效熔深都會減小。

圖4 焊點熔深、熔寬和有效結(jié)合面直徑與激光束傾斜角度的關(guān)系Fig.4 Relationship of laser tilt angle to weld penetration，weld width and diameter of effective joint surface

2.2 焊點硬度

圖5是不同激光入射角焊接試樣從焊點中心至母材的硬度值變化趨勢圖。由圖5可見，焊點HAZ處的硬度要稍高于母材和焊點中心區(qū)，這是由于HAZ晶粒細小，細晶強化的結(jié)果，另母材和焊點的硬度值沒有明顯變化。鋁合金的HAZ較小，激光傾斜角對HAZ的范圍、硬度影響均不大。

圖5 焊縫中心至母材區(qū)硬度值變化趨勢圖Fig.5 Trend graph of hardness value variation from weld center to base metal

2.3 焊點拉力

Al-Mg合金中，Mg和Al的沸點分別是1090℃和2467℃，相差1377℃，激光焊接是一個瞬時加熱和冷卻的過程，因此Mg在焊接過程中燒損嚴重，焊速越慢，燒損越嚴重，故Al-Mg合金易產(chǎn)生孔洞，而孔洞的出現(xiàn)也會直接影響焊點拉力。圖6為不同激光束傾斜角度下焊點拉力變化，拉力的變化趨勢和熔深變化趨勢一致。由于孔洞、裂紋的存在，最大拉力值也只達到15N。傾斜角大于40°時，雖然孔洞裂紋明顯減少，但是由于溶深也明顯變小，故拉力也會逐漸減小。

3 結(jié)論

1)激光傾斜角度大于10°時，焊點形態(tài)隨著激光束偏移方向發(fā)生偏移;

2)焊點直徑和有效結(jié)合面的直徑隨激光傾斜角增大而增大，激光傾斜角度40°時，焊點及有效結(jié)合面最大。焊點熔深和有效熔深隨激光傾斜角增大而減小，大于60°時，其有效焊接熔深降為零。

3)焊點拉力變化與熔深變化一致，隨著激光傾斜角增大，焊點拉力也逐漸減小，雖然當激光傾斜角度達到40°時，焊點根部氣孔現(xiàn)象得到改善，但是由于熔深變小，拉力值還是會變小;

4)焊點HAZ處的硬度要稍高于母材和焊點中心區(qū)。

圖6 拉力與激光傾斜角的關(guān)系Fig.6 Relationship between strength and laser tilt angle

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