異厚異質(zhì)鋁合金超薄板激光焊接工藝試驗(yàn)研究

文夢(mèng)蝶，陳苗苗，陳 素，張大斌

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550000）

1 引言

5G時(shí)代的到來(lái)推動(dòng)了智能手機(jī)的快速發(fā)展，中框作為智能手機(jī)的核心結(jié)構(gòu)件，要求材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、良好散熱性等優(yōu)越綜合性能。鋁合金因其密度小、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)在手機(jī)中框中得到廣泛應(yīng)用，3系鋁合金防銹效果好，5系鋁合金密度低，將兩種材料組合連接后[1]，可以滿足手機(jī)中框?qū)p質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等性能的特殊要求，同時(shí)延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。激光焊接因具有連接強(qiáng)度高、熱影響區(qū)小、變形小、焊接效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[2]，已成為連接鋁合金結(jié)構(gòu)件的有效方法，但手機(jī)中框通常由不同厚度的異質(zhì)鋁合金組合而成，且焊件厚度薄，因此焊接時(shí)易出未焊透或易焊穿的問(wèn)題，導(dǎo)致焊接接頭質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求[3]。

對(duì)于超薄板的焊接，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家近年來(lái)做了大量的研究，文獻(xiàn)[4]研究的0.1mm純鋁板疊焊表明：熱輸入量會(huì)直接影響焊縫間隙，并且隨著焊縫間隙的增大而增大，控制熱輸入量對(duì)于質(zhì)量控制有一定的作用，但具體優(yōu)化工藝參數(shù)并未提出。因此文獻(xiàn)[5]對(duì)0.25mm 厚5系鋁合金板進(jìn)行了激光點(diǎn)焊工藝研究，通過(guò)改變工藝參數(shù)脈沖持續(xù)時(shí)間和峰值功率，得出焊縫熔深及剪切強(qiáng)度測(cè)試過(guò)程中施加的拉力方向都會(huì)影響焊接接頭斷裂的機(jī)理。金屬焊接中，焊縫熔深和剪切力大小是表征焊接接頭質(zhì)量的重要指標(biāo)，焊接過(guò)程中熔池成型會(huì)直接影響所得焊接接頭的質(zhì)量，于是文獻(xiàn)[6]對(duì)微米級(jí)金屬板激光焊的熔池成型尺寸進(jìn)行了相關(guān)研究，得到熔池尺寸與離焦量有關(guān)。

同時(shí)文獻(xiàn)[7]對(duì)0.56mm及0.85mm厚SS316板材進(jìn)行激光焊接的參數(shù)優(yōu)化研究后，進(jìn)一步得到了影響微米級(jí)厚激光焊接頭質(zhì)量的重要因素還有激光功率和掃描速度。

現(xiàn)存文獻(xiàn)對(duì)于異厚異質(zhì)超薄鋁板激光焊接問(wèn)題的相關(guān)研究較少，故在無(wú)氣體保護(hù)條件下，輔助振鏡掃描激光微焊接技術(shù)對(duì)0.18mm厚3系列及0.4mm厚5系列鋁板進(jìn)行搭接焊工藝參數(shù)研究，探討焊接速度、功率和離焦量與剪切力、焊縫有效熔深之間的相關(guān)性。為獲得符合實(shí)際生產(chǎn)需求不同厚度異質(zhì)超薄鋁板搭接焊焊接頭質(zhì)量及激光搭接焊工藝奠定基礎(chǔ)。掃描振鏡技術(shù)是通過(guò)振鏡擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，改變焦點(diǎn)位置，具有慣性小、速度快等特點(diǎn)[8]，利于超薄板的焊接。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)材料為0.18mm 厚的3系鋁合金和0.4mm 厚的5系鋁合金，3系鋁合金規(guī)格為（5×10×0.18）mm，5系鋁合金的規(guī)格為（10×15×0.4）mm，兩種母材的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)百分比經(jīng)光譜儀測(cè)定，如表1所示。

表1 材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）Tab.1 Composition of Base Metal（Mass Fraction%）

試驗(yàn)所用設(shè)備主要由YLR?200?WC 激光器，波長(zhǎng)1070nm，配置纖徑14μm、場(chǎng)鏡焦距170mm、準(zhǔn)直透鏡瑞雷振鏡150mm，輸出功率500W，束腰光斑為15.8μm左右，焊接設(shè)備的裝配關(guān)系，如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)方案

結(jié)合前期研究與現(xiàn)有超薄板焊接工藝方法，確定試驗(yàn)首先采用單因素法定義工藝窗口中心參數(shù)，之后采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)。影響焊接接頭質(zhì)量及焊縫成形其中三個(gè)關(guān)鍵因素分別是激光功率、焊接速度、離焦量，故實(shí)驗(yàn)分為：①三個(gè)因素對(duì)焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度影響的單因素試驗(yàn)。②三個(gè)因素對(duì)焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度、焊件有效熔深影響的正交試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用A在上、B在下的搭接方式，激光作用于A表面進(jìn)行單點(diǎn)焊接（A為3 系鋁合金、B為5 系鋁合金），焊點(diǎn)半徑大小為1.5mm，焊件焊接具體位置，如圖1所示。鋁板上下表層需使用纖維棉質(zhì)紙蘸取少量無(wú)水乙醇擦拭，去除污漬和灰塵，并靜置室內(nèi)吹干備用。

室溫（26~28）°下進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有工藝與可調(diào)參數(shù)范圍，保持焊接速度為270mm/s，離焦量為0mm時(shí)，進(jìn)行焊接功率為（235~275）W的單因素5水平試驗(yàn)；保持焊接功率在245W，離焦量為0mm時(shí)，進(jìn)行焊接速度為（225~325）mm/s的單因素5水平試驗(yàn)；試驗(yàn)保持焊接功率在245W，焊接速度為250mm/s時(shí)，進(jìn)行離焦量為（?0.5~0.5）時(shí)的單因素5水平試驗(yàn)，且一組工藝參數(shù)下重復(fù)焊接三次，對(duì)焊接件進(jìn)行0°剪切力測(cè)試，獲得焊接接頭抗拉伸強(qiáng)度，即剪切力大小，結(jié)合剪切力和焊接接頭焊縫宏觀形貌，分析焊接功率、焊接速度和離焦量對(duì)焊件機(jī)械強(qiáng)度的影響，定義適宜焊接工藝窗口的中心焊接參數(shù)，得到單因素試驗(yàn)，如表2所示。

表2 單因素試驗(yàn)Tab.2 Single Factor Experiment

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)定義中心焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)有剪切力和有效熔深，且每組工藝參數(shù)焊接6次，取3次進(jìn)行0°剪切力測(cè)試，另取3次進(jìn)行金相檢測(cè)，檢測(cè)前需在光學(xué)顯微鏡下觀察焊接板材焊接區(qū)域的宏觀形貌。通過(guò)正交試驗(yàn)分析焊接功率、焊接速度和離焦量對(duì)焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度及焊件熔深的影響，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。

2.3 檢測(cè)試驗(yàn)

2.3.1 剪切力檢測(cè)試驗(yàn)

剪切力大小表征焊件焊接頭的抗拉強(qiáng)度，是衡量焊接頭質(zhì)量的一個(gè)重要的指標(biāo)。單因素、正交試驗(yàn)均需要對(duì)焊件焊接頭抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，剪切力測(cè)試方式一般分為0°、90°、180°，使用艾德堡拉力測(cè)試設(shè)備進(jìn)行0°剪切力測(cè)試方式。剪切力拉伸試驗(yàn)時(shí)，固定焊件B端，勻速拉伸A端，拉伸示意，如圖2所示。

圖2 焊件拉伸示意圖Fig.2 Drawing Diagram of Welding Parts

2.3.2 金相試驗(yàn)

金屬材料進(jìn)行焊接后，需要進(jìn)行金相試驗(yàn)，以檢測(cè)焊件在某種焊接工藝參數(shù)下的熔深大小，熔深對(duì)焊接接頭的質(zhì)量起著決定性因素，檢測(cè)焊件的有效熔深（處于下層材料的熔深大?。⒑讣胖迷诮鹣嘌心C(jī)內(nèi)研磨，磨拋完成后用棉簽棒蘸取酒精洗凈研磨部位，并反復(fù)擦拭腐蝕液（按1：3混合濃度為60%的HNO3溶液和FeCl3溶液），靜置片刻后用顯微鏡測(cè)量熔深。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

單因素試驗(yàn)表明：剪切力隨功率、焊接速度和離焦量變化而變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 各因素與剪切力的關(guān)系Fig.3 Factors and Shear Forces

（1）激光焊接功率的影響

圖3（a）中，焊接速度為270mm/s，離焦量為0mm時(shí)剪切力隨著焊接功率的增大而升高，當(dāng)焊接功率達(dá)到255W以上時(shí)焊接接頭的剪切力變大趨勢(shì)變緩且拉伸過(guò)程中焊接接頭直接發(fā)生斷裂。這是由于上層材料厚度小于下部材料，持續(xù)輸入激光光束能量密度過(guò)大導(dǎo)致上層焊材表面發(fā)生汽化形成凹坑，剪切力試驗(yàn)拉伸焊件時(shí)易在上層材料凹坑處發(fā)生斷裂。

試驗(yàn)用激光輻射照度可達(dá)（2.542×108）W/cm2大于106W/cm2，上層焊材3系鋁在激光作用下熔化，所產(chǎn)生的蒸氣反沖壓力將熔融材料拋出，焊點(diǎn)范圍內(nèi)部分材料瞬時(shí)汽化，光束直接作用材料熔化拋出所行成的凹坑處[9]，使3系和5系鋁箔進(jìn)一步熔化汽化，焊縫熔深逐步加大，導(dǎo)致上下板材之間的粘結(jié)力增大，焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度也在逐步增大，部分3系鋁箔材料表面汽化后形成氣體逃逸，焊接接頭表面形成凹坑，導(dǎo)致焊接接頭在進(jìn)行剪切力拉伸試驗(yàn)時(shí)焊接接頭在3系鋁箔層發(fā)生斷裂，如圖4（b）所示。激光能量輸入持續(xù)增加，焊接材料的表面會(huì)因激光束能量過(guò)大而繼續(xù)汽化，加劇上部材料氣孔的形成，同時(shí)燒穿底部焊接材料5系鋁箔，導(dǎo)致焊接外形不美觀，焊接接頭在進(jìn)行剪切力試驗(yàn)時(shí)易在3系鋁箔層發(fā)生斷裂，如圖4（a）所示。圖4（c）中焊接路徑較圖4（d）中更為完整，兩種焊接功率參數(shù)下均未發(fā)生斷裂，故取245W 為中心焊接工藝參數(shù)。

圖4 0°剪切力測(cè)試后焊接頭處示意圖Fig.4 Weld Joint After 0°Shear Force Test

（2）激光焊接速度的影響

當(dāng)保持焊接功率在245W，離焦量為0mm時(shí)，圖3（b）中可以看出剪切力與焊接速度呈負(fù)相關(guān)，隨著焊接速度的增大，焊點(diǎn)的剪切力隨之減小，焊點(diǎn)剪切力幾乎與焊接速度成反比，當(dāng)焊接速度大于250mm/s時(shí)，剪切力的下降趨勢(shì)減緩，故定義中心焊接速度參數(shù)為275mm/s。由于焊件厚度極小，焊接模式為熱傳導(dǎo)模式，當(dāng)焊接速度不斷增大時(shí)候，影響熔池內(nèi)的熱量傳導(dǎo)，導(dǎo)致熔深逐漸減小。通過(guò)焊縫表面質(zhì)量分析可知，焊接速度減慢時(shí)，加快熔池內(nèi)的熱量傳導(dǎo)焊，加大熔深，鋁板蒸汽逸出，激光光束線能量在起始處極易產(chǎn)生發(fā)生塌焊，如圖5所示。

圖5 塌焊現(xiàn)象Fig.5 Flat Welding Phenomenon

（3）激光焊接離焦量的影響

保持焊接功率在245W，焊接速度為250mm/s時(shí)，圖3（c）中剪切力隨著離焦量的增大而減小，當(dāng)離焦量大于0mm以后焊接頭的抗拉伸強(qiáng)度迅速降低，并且當(dāng)離焦量為5mm時(shí)通過(guò)電子顯微鏡觀察到只有淺淺的一層熔深漂浮在上部材料，焊縫有效熔深也為0，焊接完全失效，故微米級(jí)薄板的激光焊接不宜使用正離焦，從焊接的宏觀形貌和剪切力數(shù)據(jù)綜合分析，定義中心離焦量參數(shù)為0mm。

3.2 正交試驗(yàn)

由上述單因素試驗(yàn)得到焊接功率、焊接速度和離焦量對(duì)異厚鋁箔機(jī)械強(qiáng)度的影響規(guī)律，針對(duì)上下部材料厚度差異導(dǎo)致的焊接強(qiáng)度小的情況，定義了焊接工藝窗口中心焊接工藝參數(shù)分別為245W、275mm/s和0mm。

設(shè)計(jì)了三因素四水平正交試驗(yàn)[10]（L16（43）），其他工藝參數(shù)在試驗(yàn)過(guò)程中保持不變，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行六次，三次測(cè)試焊件剪切力，其余三次測(cè)試焊件有效熔深皆取均值，其因素水平編碼，如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)因素水平Tab.3 Levels of Experimental Factors

分析計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用Ki（i=1，2，3，4）評(píng)價(jià)各因素在i水平下的總剪切力和總有效熔深；ki評(píng)價(jià)各因素在i水平下的平均剪切力和有效熔深且ki=Ki/4；各因素的極差為R；計(jì)算結(jié)果，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析表Tab.4 Analysis Table of Orthogonal Results

表4列出了16組試件剪切力試驗(yàn)和金相試驗(yàn)的結(jié)果，焊縫的微觀組織金相圖，如圖6所示。圖6（a）~圖6（c）中，上下板材之間已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的縫隙，一般產(chǎn)生縫隙的原因是焊接過(guò)程中兩塊板材之間沒(méi)有壓緊，再者是進(jìn)行金相試驗(yàn)時(shí)，焊件受研磨機(jī)研磨擠壓，使得上下板材之間產(chǎn)生縫隙，隨著功率的升高，焊縫熔深明顯增加。

圖6 正交試驗(yàn)金相圖Fig.6 Orthogonal Test Metallographic Diagram

圖6 中焊接速度不變時(shí)，功率越小熔深越小。當(dāng)功率在235W時(shí)，熔深小且焊有氣孔和凹陷，這一般是由焊接前試件焊縫處存在的雜質(zhì)導(dǎo)致。當(dāng)功率大于245時(shí)，速度在275mm/s時(shí)，焊縫熔深達(dá)到50μm以上，達(dá)到單片母材的厚度，滿足工藝要求。同時(shí)從金相圖中可以看出，接頭熔合效果良好，焊接質(zhì)量合格。

通過(guò)極差分析表可知，各因素對(duì)剪切力和熔深的影響大小分別為C>B>A，C>A>B，剪切力的優(yōu)水平組合為A4B1C3，熔深的優(yōu)水平組合也為A3B2C3。從三個(gè)因素對(duì)剪切力和熔深的極差分析可知，焊接工藝參數(shù)的最佳組合為A3B2C3，也即焊接功率為255W，離焦量為?0.25mm，速度為250mm/s。

4 結(jié)論

（1）激光焊接異厚異質(zhì)鋁合金超薄板的單因素試驗(yàn)表明，在給定的工藝參數(shù)下，隨著激光功率的增加，焊件剪切力增加，焊縫質(zhì)量改善；隨著焊接速度的增大，焊件剪切力顯著下降，焊接質(zhì)量降低；相較于正離焦，采用負(fù)離焦量能夠獲得更高的焊件剪切力，且焊件剪切力隨負(fù)離焦量（0~0.25mm）增大而增加。

（2）正交試驗(yàn)表明，離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響最大，各因素對(duì)焊件剪切力的影響順序?yàn)殡x焦量>焊接速度>焊接功率，對(duì)焊件有效熔深的影響順序?yàn)殡x焦量>焊接功率>焊接速度，說(shuō)明離焦量是影響異厚異質(zhì)鋁合金超薄板激光焊接的關(guān)鍵因素。

（3）極差分析表明，激光焊接0.18mm 厚3 系和0.4mm 厚5系鋁合金的最佳工藝參數(shù)組合為：激光功率245W，焊接速度275mm/s，離焦量為?0.25mm。