作者：上海飛博激光科技有限公司  劉東(dong) 宇 王錦軍(jun)

1.1 實驗設備

實驗采用高光束質量的飛博激光YDFL－2000－CW－MM高功率連續光纖激光器，工作模式為(wei) ：CW／QCW，中心波長為(wei) 1080nm，光束質量M²＜1.6；嘉強BW240－4KW光纖激光高功率以及具有同軸 CCD 顯示和照明功能的焊接頭（準直聚焦配比為(wei) 100：200）；史陶比爾TX90六軸機器人。采用JZX91熔深顯微鏡觀察焊縫表麵。

1.2 實驗材料

按合金化係列，鋁及鋁合金可分為(wei) 1 係（工業(ye) 純鋁）、2 係（鋁 － 銅）、3 係（鋁 － 錳）、4 係（鋁 － 矽）、5 係（鋁 － 鎂）、6 係（鋁 － 鎂 － 矽）、7 係（鋁 － 鋅 － 鎂 －銅）、8 係（其他）八類合金。不同的係列的鋁合金由於(yu) 成分和組織的差異，所表現出來的焊接性能相差也是比較大的。3係鋁合金是防鏽鋁合金，具有優(you) 秀的防鏽特性，成形性、熔接性、耐蝕性均良好，其中3003鋁合金通常用於(yu) 動力電池外殼，3A21 鋁合金用於(yu) 微波組件外殼。本次實驗采用3003鋁合金材料進行了激光焊接測試。焊接接頭采用對接的方式，將工件切割成100mm＊100mm＊2mm板材進行對焊。

3003 鋁合金標準化學成分表

1.3 實驗方法

在焊接前使用丙酮溶液超聲波清洗器 25 min，以清除試樣表麵的油汙等雜質。采用連續激光和脈衝(chong) 激光對試樣分別進行焊接，焊接完成後在精密測量顯微鏡觀察焊縫表麵形貌。

1.4 實驗參數

由於(yu) 鋁合金對激光具有高反射性，為(wei) 防止回反光燒毀激光器，對焊頭做了5度的傾(qing) 斜。在連續激光進行焊接時，分別對離焦量、激光器輸出功率和焊接速度 3 個(ge) 工藝參量進行優(you) 化，以獲得連續激光焊的最佳工藝參量； 同時，在脈衝(chong) 激光進行焊接時，脈衝(chong) 波形為(wei) 方波，對脈衝(chong) 能量進行了優(you) 化，以獲得脈衝(chong) 激光焊的最佳工藝參量。優(you) 化後焊接工藝參數如表 1和表 2 所示。

表1：連續激光焊接參數優(you) 化

表2：脈衝(chong) 激光焊接參數優(you) 化

2．實驗結果與(yu) 討論

2.1 連續激光焊接

連續激光焊接焊縫表麵成型如下圖：

通過實驗，我們(men) 將離焦量、焊接速度、激光功率對焊縫表麵的影響總結如下：

激光深熔焊的離焦方式有三種：正離焦，零離焦與(yu) 負離焦，一般要求焊接深度較大時采用負離焦，而針對薄材料焊接時多采用零離焦或者正離焦。在鋁合金激光焊接中，離焦量的變化對焊縫的表麵成形和熔深都有較大的影響。如上圖1－4所示，在零焦點和正離焦量條件下焊縫成型比較平滑，但熔深隨之變淺，甚至出現焊不透的現象。隨著負離焦的增大，焊縫表麵變得粗糙，熔深也隨之增加。當離焦量為(wei) －2mm時，焊縫表麵蒸發劇烈而出現溝壑，下表麵也出現明顯下塌。所以3003鋁合金焊接的聚焦範圍在－1mm左右時可獲得較好的表麵成型以及良好熔深。

激光焊接速度對焊縫表麵成型影響也較大，如圖5－8所示，在高速焊接時表麵成型較為(wei) 粗糙，隨著速度的降低焊縫表麵成型較為(wei) 平滑，但速度過低由於(yu) 單位輸入的線能量較大，下表麵也會(hui) 出現下塌現象。

在進行工藝參數優(you) 化時，同時發現在保持零離焦量和焊接速度等其他工藝參數不變的條件下，當功率低於(yu) 1500W時，焊接基本不能進行，隻是對表麵進行一定加熱。當高於(yu) 1500W時，可以進行正常焊接。所以針對3係鋁合金材料激光焊接，存在一個(ge) 激光功率密度的閾值，當高於(yu) 此閾值時才能實現焊接。

2.2 脈衝(chong) 激光焊接

脈衝(chong) 激光焊接焊縫表麵成型如下圖：

采用脈衝(chong) 模式對3003鋁合金進行焊接，如圖1－4所示，在激光功率為(wei) 2000W，離焦量為(wei) 0的位置時進行焊接，發現無論是改變調製頻率還是占空比，焊點的成型均由於(yu) 功率密度過大，造成焊縫熔池中低熔點Mn金屬元素的蒸發汽化，蒸汽壓力造成金屬飛濺，焊縫表麵粗糙，焊縫不連續，有孔洞。當占空接近100％（及接近連續焊接時），焊縫上表麵會(hui) 出現較嚴(yan) 重的溝壑，下表麵會(hui) 出現下塌，如圖5所示。

通過對比改變離焦量發現在離焦量為(wei) ＋1時焊縫表麵成型最好，在離焦量為(wei) ＋2時雖然焊縫表麵成型較好，但由於(yu) 離焦太大激光功率密度不足，直接由深熔焊變為(wei) 熱傳(chuan) 導焊，僅(jin) 熔化工件表麵，如圖5－7所示。

采用單一變量法對6－7、6－11、7－8、8－9、10－11、12－13進行實驗數據分析得知，激光功率密度對3003鋁合金焊成型影響最大。激光頻率與(yu) 焊接速度兩(liang) 個(ge) 參數共同決(jue) 定了光斑重合率的大小，所以要獲得致密魚鱗紋可以增加激光焊接頻率或者降低焊接速度，一般工業(ye) 加工對產(chan) 品產(chan) 能有嚴(yan) 格的要求，所以在進行需要控製魚鱗紋致密性的焊接時，例如微波組件的激光封裝焊接，要適當的提高激光焊接頻率。激光焊接占空比不僅(jin) 影響焊縫的深度和整個(ge) 焊接件的變形程度，也會(hui) 影響焊縫的熱影響區晶粒的大小，這對焊接接頭的承受抗拉壓應力是極其重要的。

3．結論

綜合以上實驗結果，通過連續－脈衝(chong) 激光焊接的相比較，發現：在單位時間內(nei) 線能量一定的條件下，激光功率密度對3003鋁合金的焊縫成型起著關(guan) 鍵作用。

所以在對3003鋁合金進行焊接時不僅(jin) 要考慮離焦量的變化，更重要的是選擇激光器時要充分考慮激光器的光斑模式（即光纖激光器的模塊組成分為(wei) 單模和多模兩(liang) 種，單模激光器的纖芯比較細，光束質量優(you) 於(yu) 多模，能量分布呈高斯分布，中間能量密度最高，三維圖是一個(ge) 尖圓的山峰狀。多模激光器的纖芯相比粗一些，光束質量相比單模要差一些，能量分布相比單模光斑平均一些，三維圖像一個(ge) 倒扣的杯子，從(cong) 邊緣陡峭程度來看，多模的比單模的陡峭很多）。同時影響激光功率密度也有激光焊接頭的準直聚焦的配比。