5052铝合金光纤激光焊工艺

(无锡工艺职业技术学院,江苏 宜兴 214206)

5052铝合金光纤激光焊工艺

余暕浩张家骅马玉莹

(无锡工艺职业技术学院,江苏 宜兴 214206)

采用1 000 W单模光纤激光器对1 mm厚的5052铝合金进行焊接，对激光功率、焊接速度、离焦量三因素进行正交试验，得到最佳工艺参数为功率900 W，焊接速度100 mm/s,离焦量2 mm。对焊接接头进行拉升试验，结果表明，最佳工艺参数条件下焊接强度达到282 MPa,达到母材强度的72%。进一步对焊缝截面进行分析，焊缝完全熔透、内部无气孔且无材料缺失的情况下，焊接接头强度最高。

铝合金光纤激光器焊接强度

0 序 言

5052铝合金具有质量轻、耐腐蚀性能好、力学性能好等特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、机械制造、五金及电子产品等领域[1-2]。近年来随着工业制造不断发展，在实际生产中对铝合金焊接结构件的需求越来越多，因为采用铝合金焊接结构件可以提高生产效率并且降低加工成本[3-4]。传统的铝合金焊接主要采用氩弧焊焊接工艺，这种焊接工艺生产效率低，而且焊接热输入大，使得铝合金焊接变形和焊接接头的热影响区均较大，导致焊接接头强度较低[5-9]。

激光焊是利用高能束聚焦激光对工件进行焊接，具有热影响范围小、生产效率高等优势，焊缝深宽比高及焊接接头强度大，非常适用于铝合金焊接[10-12]。激光焊被广泛用于铝合金焊接研究，如张智慧等人[13]对7A52铝合金焊接接头的性能进行了研究。张大文等人[14]采用连续和脉冲两种激光方式对铝合金进行焊接工艺对比试验研究。由于铝合金对激光反射率高，需要高功率激光才能对其进行焊接，当激光功率高时，热影响范围大，在焊接时容易产生热裂纹导致焊接接头强度低，目前激光焊接铝合金接头强度一般不超过母材的60%，仍然有很大的改善空间[15]。

文中利用单模光纤激光器光束质量好及功率密度高的优点对5052铝合金进行激光焊接工艺优化试验，并对焊缝微观结构进行分析，为实际生产提供工艺方法试验指导。

1 试验设备及材料

1.1 试验设备

光纤激光器是把泵浦物质掺入到光纤中，由半导体激光器发出特定波长的激光，使光纤产生激光，光纤激光器具有结构紧凑、光电转化效率达到30%、功率稳定、免维护等优点，非常适合金属材料的精密焊接。采用武汉锐科公司生产的1 000 W单模光纤激光器，平均功率1 000 W，中心波长1 070 nm,光束质量M2=1.3(其值越小，表明光束质量越好，极限值为1.0)。由于单模激光器良好的光束质量，光束分布呈高斯分布，聚焦光斑小，作用在材料上的功率密度高，可以得到深宽比大的焊缝，激光器外形如图1a所示。激光焊接工作台如图1b所示，X/Y运动轴带动激光加工头在平面上运动，完成焊接轨迹。

图1 激光器及工作台外观图

1.2 试验材料

试验材料为铝合金，牌号5052，厚度为1.0 mm，长×宽尺寸为100 mm×50 mm，材料化学成分见表1。采用拼接方式进行焊接，焊接前清洗铝合金表面及接头处去除油污和氧化膜,采用工装将待焊工件夹紧。

表1 5052铝合金的化学成分(质量分数，%)

2 试验过程及结果分析

2.1 试验设计

经过前期大量试验验证，影响焊接接头强度的主要因素为激光功率、焊接速度、离焦量(激光焦点与工件表面的距离，焦点在工件表面上方为正离焦，焦点在工件下方为负离焦)。三者对焊缝熔深、焊缝宽度、焊缝外观以及热影响范围均有直接的影响，三者同时作用将直接影响焊接接头的强度。在前期预试验可行的基础上，保持其他因素不变，对激光功率、焊接速度及离焦量三因素进行设计，所取试验参数如表2所示。激光功率取800 W,900 W,1 000 W，焊接速度取80 mm/s,90 mm/s,100 mm/s,离焦量取1 mm,2 mm,3 mm。

表2 正交试验参数及接头强度

2.2 正交试验结果与分析

正交试验参数及其对应焊接接头的抗拉强度分析如表2所示，由正交试验结果可知，工艺参数为激光功率900 W、焊接速度100 mm/s，离焦量2 mm时，能获得最大抗拉强度 (282 MPa) ，达到母材的 72%(在同等条件下测得母材的抗拉强度为391 MPa)，该组工艺参数为最佳工艺参数。 表3为极差分析，表中K1,K2,K3分别表示激光功率、焊接速度、离焦量对应的抗拉强度之和，R为极差(评价指标是焊接接头的抗拉强度)。由表中极差分析结果可知，激光功率对焊缝抗拉强度的影响最大，其次是离焦量，影响最小的是焊接速度。

表3 极差分析

2.3 焊点外观分析

工艺参数对铝合金焊接效果影响很大，根据焊接外观图对典型的工艺参数进行了分析，图2a中从左到右分别对应试验编号为1,6,10的焊缝外观图，图2b中从左到右分别对应试验编号为1,6,10的焊缝背面图。当功率为800 W，焊接速度80 mm/s，离焦量为1 mm时，焊缝一致性较好，焊缝未完全焊透，可能导致接头强度不高。当功率为900 W，焊接速度100 mm/s，离焦量为2 mm时，焊缝一致性较好，无明显缺陷，焊缝刚好焊透，此时焊接强度大。当激光功率1 000 W，焊接速度100 mm/s,离焦量1 mm时，焊接外观有缺口，可能功率较高，导致部分材料气化，在焊缝表面形成缺口，导致焊接接头强度降低。

图2 焊接接头外观

2.4 焊缝截面分析

采用线切割将焊接接头中心切开，将切割的样品镶嵌，然后进行打磨、抛光及化学腐蚀。采用金相显微镜对焊缝截面进行观察分析，结果如图3所示。其中图3a～3c分别对应试验编号为1,6,10的焊缝截面，由图3a可知，当激光功率为800 W，焊接速度80 mm/s，离焦量为1 mm时，焊缝未完全熔透，且呈现“上宽下窄”，可能是功率较小，焊缝下面的材料未充分熔化，这种效果焊接强度一般不高。图3b对应的工艺参数为激光功率900 W、焊接速度100 mm/s、离焦量2 mm，此时焊缝完全焊透，焊缝上下的宽度基本一致，焊缝内部无明显气孔,无热裂纹等缺陷出现，焊接接头强度最大。图3c对应的工艺参数为1 000 W，焊接速度100 mm/s，离焦量1 mm,焊缝内部有气孔出现，且焊缝底部有材料缺失，这两种情况均会导致焊接接头的强度降低。产生气孔的原因可能是因为激光功率高，离焦量小，作用在材料表面的功率密度过高，导致材料内部部分低熔点元素如Mn,Mg等材料气化，在焊缝内部留下气孔。同时热量输入过多，导致熔池过烧，焊缝下面部分材料流失。

图3 焊缝截面图

3 结 论

(1)采用单模光纤激光器对5052铝合金进行焊接正交优化试验，得到最大的激光焊接接头强度282 MPa,为最佳工艺参数，即功率900 W，焊接速度100 mm/s，离焦量2 mm。

(2)通过对焊接接头的截面进行分析，在最佳工艺参数条件下，焊缝完全焊透，焊缝上、下的宽度基本一致，焊缝内部无明显气孔、无热裂纹等缺陷出现，且焊缝表面和背面无明显材料缺失，保证了焊接接头的强度。

[1] 朱 晶,杜 坤,贾维平,等.5052铝合金板材室温冲压成形性能研究[J].热加工工艺,2015(19):1-4.

[2] 彭 建,王永建,朱莉莉,等.5052铝合金板材宽度方向上组织性能均匀性研究[J].铝加工,2014(5):4-9.

[3] 刘声健,王春宏.铝合金结构运弹车的手工氩弧焊接[J].兵器材料科学与工程,1983(6):40-46.

[4] 陈虹佑，孙汇彬,唐 松,等.DC04钢板与5052铝合金板电阻点焊接头组织和性能分析[J].现代焊接,2014(5):30-32.

[5] 梅丽芳,陈根余,金湘中,等.车用铝合金光纤激光搭接焊的研究[J].中国激光,2010,37(8):2091-2097.

[6] 王国振,王春明,王 军,等.间隙对5754铝合金激光填丝搭接焊气孔的影响[J].中国激光,2012,39(12):49-54.

[7] 张亦弛,赵占西,周 翔,等.5052铝合金脉冲激光焊接温度场模拟[J].热加工工艺,2017(3):242-245.

[8] 邹宇峰, 金湘中, 何依宁, 等. 填镁改善 5052 铝合金激光焊接接头机械性能研究[J]. 激光技术, 2013, 37(6): 712-717.

[9] 宋金虎.钨极氩弧焊修复铝合金气缸盖裂纹的方法[J].现代焊接,2013(7):63-64.

[10] 续 敏,李向荣,杨化林.5052铝合金激光焊接接头组织和性能研究[J].热加工工艺,2017(1):236-237.

[11] 李巧艳，罗 宇，王亚军,等.5052铝合金双光点激光焊接组织与性能[J].焊接学报,2007,28(12):105-108.

[12] 邹宇峰，金湘中,何依宁,等.填镁改善5052铝合金激光焊接接头机械性能研究[J].激光技术,2013, 37(6):712-717.

[13] 张智慧,董世运,王玉江,等.7A52铝合金光纤激光焊接接头组织与性能研究[J].应用激光,2014,34(6):567-571.

[14] 张大文,张 宏,刘 佳,等.铝合金连续-脉冲激光焊接工艺对比实验研究[J].激光技术,2012,36(4):453-458.

[15] 刘 虎.铝合金激光焊接接头疲劳性能与寿命预测方法研究[D].北京工业大学,博士学位论文,2015.

2017-04-26

TG456.7

余暕浩，1982年出生，硕士学位。主要研究方向为从事机电一体化技术，材料成型。