6061铝合金激光穿透焊的焊缝成形

许飞;陈俐;郭路云

【摘 要】分别采用光纤激光和YAG激光对2.5mm厚的6061铝合金开展了激光穿透焊接试验，研究了主要焊接参数对焊缝成形的影响规律。结果表明，与YAG激光相比，高能量密度的光纤激光更易于实现穿透焊接，且光纤激光获得良好焊缝成形的工艺区间更大。在穿透焊接条件下，焊缝截面形貌分为钉头形和近X形两种。当激光功率较高时，光纤激光焊缝更趋向于生成近X形截面，YAG激光焊缝更易于生成钉头形截面。焊缝成形受激光功率密度和焊接热输入双重因素的影响。随激光功率密度和焊接热输入的增大，光纤激光焊缝截面形貌逐渐由钉头形向近X形转变。%The welding experiments of 6061 aluminum alloy with 2.5mm thickness, are carried out by ifber laser beam and YAG laser beam. The effects of major welding parameters on weld appearance are investigated. The results show that the ifber laser beam with high energy density is easier to realize full penetration welding than YAG laser beam. And the processing tolerance (the good weld appearance could be obtained easily) of the former is also broader than that of the latter. When the joints are fully penetration welded, the cross-sections of the weld seams present two types of nail shape and near X shape. The weld with near X shape cross-section character is ten-dency to be obtained by ifber laser beam with high power, while the weld with nail shape cross-section character is helpful to be obtained by YAG laser. The weld appearance is influenced intensively by heat input and laser power density in welding. With heat input and laser

power densi-ty increasing, the cross-section of weld by ifber laser bean transforms from nail shape to near X shape. 【期刊名称】《航空制造技术》 【年(卷),期】2015(000)011 【总页数】4页(P99-101,104)

【关键词】6061铝合金;光纤激光;YAG激光;焊缝成形 【作 者】许飞;陈俐;郭路云

【作者单位】中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室;中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室;中航工业北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室 【正文语种】中 文

与常规熔焊方法相比，激光焊接具有能量密度集中、热输入低、焊接变形和残余应力小、接头质量优良、易于实现自动化柔性高效作业等优点，因此更加适合于铝合金结构的焊接[1-2]。大功率高亮度光纤激光是2002年以后发展起来的新型激光。与YAG激光相比，光纤激光具有更好的光束质量和激光亮度[2]。光纤激光的亮度比YAG激光高1～2个数量级，且光束可靠性高，光电转换效率可高达25%～30%[3]，故光纤激光具有更高的输出功率和更小的聚焦光斑，即激光的功率密度很高。光纤激光是激光技术发展的飞跃，更加促进了激光焊接技术的发展[2]。目前，采用YAG激光或光纤激光对铝合金的焊接性方面的研究相对较多[4-8]，而对这2种方法的对比研究相对较少。因此，开展此方面的研究，对推动光纤激光焊

接技术的发展具有积极意义。

在实际工程应用中，激光焊接接头的力学性能一直是研究技术人员关注的对象，而焊缝横截面宏观形貌（形状）与焊接质量、焊接参数合理性、焊接参数控制稳定性以及接头力学性能都具有密切的联系[8-10]。因此，开展焊接参数对焊缝横截面宏观形貌的影响研究，具有一定的实际应用意义。 1 试验条件和方法

试验材料为2.5mm厚6061-T651铝合金，其化学成分如表1所示。6061铝合金是Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，具有中等强度，其耐蚀性能好，成形性和工艺性能良好，在航空航天和现代建筑等领域获得了广泛应用。铝合金板材被加工成200mm×100mm，焊前用化学清洗方法彻底去除试板表面的油污和氧化膜。 试验采用YLS-5000型光纤激光器和HL3006D型YAG激光器，激光器的主要技术指标如表2所示。激光通过光纤传输并反射聚焦于工件表面。焊接过程中工作台静止，由ABB机械手带动激光头相对运动来实现激光焊接。为减小反射光对激光器和外光路光学元件的损害，焊接过程中激光头的中轴线逆着焊接方向偏转10°，同时通入2路纯氩气保护熔池和焊缝高温区的正反面成形。所有焊接的离焦量均采用零。焊接试验采用平板堆焊方式。金相试样从焊缝中截取，经2%～3%的NaOH碱溶液腐蚀后，采用Olympus S231TR体式显微镜观察接头横截面形貌。在焊接工艺基础上，对比光纤激光和YAG激光对6061铝合金焊缝成形的影响。 表1 6061铝合金的化学成分（质量分数）%Si Fe Cu Mg Zn Mn Cr Ti Al 0.66 0.42 0.27 0.93 0.05 0.08 0.08 0.04 Bal

表2 激光器的主要技术指标激光器类型 最大输出功率/ /kW波长/μm 模式 焦距f/mm焦斑直径φ/mm光纤激光器 5 1.06 多模 150 0.28 YAG激光器 3 1.06 多模 223 0.60

2 不同激光作用下的焊缝成形

分别采用光纤激光和YAG激光对6061铝合金母材开展激光焊接试验，获得的焊缝横截面形貌如图1所示（1.5m/min，3kW）。可以发现，在相同焊接参数条件下，光纤激光焊缝横截面呈现X形，而YAG激光焊缝横截面为钉头形。这与激光的功率密度密切相关。经计算，此时光纤激光的功率密度约为4.87×106W/cm2，而YAG激光的功率密度仅为1.06×106W/cm2。当激光的功率密度高于106W/cm2时，激光可以使金属瞬间熔化、汽化，并逐渐形成“小孔效应”深熔焊接[11]。当熔池贯穿母材壁厚时，即形成穿透焊接。在较高能量密度的光纤激光作用下，母材更易于实现穿透焊接，而且焊接小孔能够始终保持贯穿熔池状态。此时，焊接小孔和作用于熔池上、下表面附近的高温金属蒸气/等离子体的热辐射可以看作是“两点一线”热源[12]，故光纤激光焊缝横截面更易于形成近X形。而在YAG激光作用下，虽然可以实现熔池穿透，但却无法维持小孔的稳定穿透，而瞬间的小孔穿透，无法为熔池下表面提供足够的高温金属蒸气/等离子体，故此时也仅能认为是“一点一线”热源，故在YAG激光作用下，更趋向于生成钉头形焊缝形貌。

图1 不同光源作用下的接头横截面形貌Fig.1 Cross-section shaping of joints by different light sources 3 焊接速度对焊缝成形的影响

当激光功率恒定时，焊接速度对焊缝横截面形貌的影响如图2所示。可以发现，当采用高功率密度的光纤激光焊接，激光功率为3kW时，焊接速度在较大的范围内（1.5～4.5 m/min）变化均可以获得稳定全熔透焊缝。而YAG激光焊接速度仅能在0.8～1.8m/min范围内获得稳定全熔透焊缝。当光纤激光焊接速度低于1.5m/min，或YAG激光焊接速度低于0.8m/min时，焊缝表面会产生严重的焊塌，进而影响接头表面质量。当光纤激光焊接速度高于4.5m/min或YAG激光焊接速度高于1.8m/min时，激光焊接虽然继续保持“小孔效应”深熔焊接，但却

无法实现稳定全熔透焊接，焊缝内部会产生大量气孔[13]，焊接接头质量明显恶化。同时还发现，当焊接速度增大时，光纤激光焊缝横截面形貌逐渐由近X形向钉头形转变，而YAG激光焊缝横截面形貌的钉头形特征更加明显。

图2 焊接速度对焊缝横截面形貌的影响Fig.2 Effect of welding speed on weld cross-section shaping

当采用较高的激光功率（4.5kW）时，焊接速度对光纤激光焊缝横截面形貌的影响如图3所示。与图2对比发现，当激光功率较高时，光纤激光焊缝生成近X形截面的工艺区间更大（1.5～6m/min）；当激光功率较低时，光纤激光焊缝生成钉头形截面的工艺区间更大（3～4.5m/min）。故当激光功率较高时，光纤激光焊缝更趋向于生成近X形截面形貌。而YAG激光受激光器额定功率限制，无法输出更高的激光功率，故更易于生成钉头形焊缝截面形貌。 4 激光功率对焊缝成形的影响

当焊接速度恒定（3m/min）时，激光功率对光纤激光焊缝横截面形貌的影响如图4所示。可以发现，随着激光功率的逐渐增加，焊缝横截面逐渐由钉头形向近X形转变。当激光功率高于某一阈值且逐渐增加时，焊接小孔始终贯穿熔池，并且在熔池下表面附近形成越来越强烈的高温金属蒸气/等离子体，故焊缝横截面的近X形特征也愈加明显。

图3 焊接速度对光纤焊缝横截面形貌的影响Fig.3 Effect of welding speed on weld cross-section shaping by fiber laser beam 5 焊接热输入对焊缝成形的影响

焊接热输入是激光功率和焊接速度的比值，用来表征焊接过程中的能量输入。从焊接速度和激光功率对焊缝横截面形貌的影响分析发现，随着焊接速度的逐渐降低或激光功率的逐渐增加，即焊接热输入的逐渐增大，激光焊缝横截面形貌逐渐由钉头形向近X形转变。与YAG激光焊接不同的是，光纤激光焊缝横截面为近X形时，

焊接过程更加稳定，更易于获得质量优良的焊接接头。 6 结论

（1）由于光纤激光的功率密度比YAG激光高，故光纤激光更易于保持熔池的小孔穿透焊接，也更趋向于生成近X形横截面的焊缝形貌。而YAG激光易于生成钉头形横截面的焊缝形貌。

图4 激光功率对光纤焊缝横截面形貌的影响Fig.4 Effect of laser power on weld cross-section shaping by fiber laser beam

（2）与YAG激光相比，光纤激光焊接时获得稳定全熔透焊缝的工艺区间更大。当焊接速度增大或激光功率降低时，光纤激光焊缝横截面形貌逐渐由近X形向钉头形转变，而YAG激光焊缝横截面形貌的钉头形特征更加明显。当激光功率较高时，光纤激光焊缝更趋向于生成近X形截面形貌。

（3）焊缝成形受激光功率密度和焊接热输入双重因素的影响。 参 考 文 献

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