鋁合金薄板多光束YAG激光焊接設(shè)計

          分析了鋁合金激光焊接的工藝特性、技術(shù)難點和解決辦法，闡述了多光束YAG激光焊接鋁合金薄板的可能性，構(gòu)建了多光束YAG激光焊接光路，解決鋁合金薄板激光焊接過程的部分缺陷。如果合理使用保護(hù)氣體并設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)，有可能解決鋁合金薄板的YAG激光焊接難題，對其應(yīng)用前景提出展望。  

　　一、前言

　　鋁合金具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船舶等制造材料。鋁合金的激光焊接技術(shù)是近20年來發(fā)展起來的新技術(shù)，和傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，它在焊接的效率、可靠性、精度上具有很大的優(yōu)勢。鋁合金焊接的難點在于其對激光的反射率極高，其中對CO:激光的初始反射率接近90%，對YAG激光反射率接近80%。大量文獻(xiàn)記載了用高功率CO:激光器進(jìn)行鋁合金焊接的研究或試驗，對用YAG激光進(jìn)行鋁合金焊接研究相對較少。部分激光加工企業(yè)利用YAG激光器對lmm左右的鋁合金薄板焊接進(jìn)行了試驗研究。武漢楚天激光工業(yè)激光設(shè)備有限公司激光加工工藝部的工程師經(jīng)過試驗，在50 WYAG固體激光器上順利完成空調(diào)鋁合金連接架的焊接，強(qiáng)度達(dá)到了用戶要求，但焊接表面粗糙，有裂紋和氣孔存在。另外，通過多次在30WYAG激光器上試驗對lmm鋁合金焊接，雖然熔深較大，甚至可以實現(xiàn)穿透焊，但焊接后材料強(qiáng)度不夠，同時表面有明顯裂紋，內(nèi)部有氣孔。部分研究機(jī)構(gòu)利用激光-MIG復(fù)合焊或填絲焊的方法進(jìn)行鋁合金激光焊接也取得了一定的成果，但加工工藝相對復(fù)雜。本文對鋁合金激光焊接技術(shù)工藝進(jìn)行了研究，分析了多光束YAG激光解決鋁合金焊接部分缺陷的可能性，提出多光束YAG激光焊接機(jī)的光路構(gòu)建方法。

　　二、鋁合金激光焊接技術(shù)難點與解決方法

　　1、鋁合金對激光束的高表面反射

　　進(jìn)行激光焊接，首先碰到同時也是很難解決的問題是表面對人射激光的強(qiáng)烈反射，可以采用對鋁合金表面進(jìn)行預(yù)處理的方法來解決，例如電解拋光、噴砂或陽極氧化處理等方法。但進(jìn)行表面工藝處理時會增加加工的復(fù)雜性甚至破壞表面，特別是在材料本身已做過拋光處理的材料則該方法更不可取。

　　為了既不破壞焊接件表面狀態(tài)，同時使激光焊接工藝過程簡化，可以采用對焊接材料進(jìn)行預(yù)加熱升溫的方法提高材料對激光的吸收率。理論與研究均表明，針對紅外激光，金屬吸收率與溫度依賴關(guān)系可以用下面簡單的表達(dá)式描述：

　　A(T)=A0+r(T一T0)

　　式中，A0為在溫度TO下金屬的吸收率，r為吸收率的溫度系數(shù)，T為溫度。圖1為金屬材料照射激光時的溫度上升概念圖。圖1中A為用CO2激光，B為用YAG激光照射金屬時的材料溫度上升和相變化狀態(tài)。

　　如果采用一束YAG激光進(jìn)行預(yù)加熱使鋁合金溫度升高，可以提高后繼激光主焊接光路的吸收率，實現(xiàn)鋁合金薄板小功率激光焊接的可能。

　　2、鋁合金激光焊接氣孔敏感性高

　　鋁合金激光焊接氣孔是鋁合金焊接的常見缺陷。氣孔有2類，氫氣孔和由于鑰孔塌陷而產(chǎn)生的氣孔�？諝夂捅Ｗo(hù)氣體中的水分以及氧化膜中吸附的水分是產(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。在激光加熱時，鋁合金表面的結(jié)晶水和化合水將逐步分解。分解出的水分及空氣中的水分可以在激光作用的高溫區(qū)直接分解產(chǎn)生氫，高溫時氫在熔池中溶解度很高，可以吸收大量的氫。如圖2所示，由于鋁合金的導(dǎo)熱性很好，急速冷卻過程中，氫的溶解度下降很快，大量的氫來不及析出從而形成氣孔。在鑰孔模式焊接時，如果鑰孔不穩(wěn)定，熔融金屬蒸汽和氣體就會留在焊縫根部從而形成氣孔。

　　要解決鋁合金激光焊接的氣孔敏感性問題，可以利用多光束焊接減緩材料溫度降低的速度和增加鑰孔尺寸的方法減少上述2種氣孔的產(chǎn)生。主光束焊接過后的跟隨光束使材料的溫度降低速率減慢，同時能夠通過調(diào)節(jié)與主光束的空間距離來避免鑰孔塌陷而使鋁合金中鎂、鋅等金屬蒸氣留在焊縫中形成氣孔。

　3、鋁合金焊接熱裂紋

　　鋁合金屬于典型的共晶型合金，焊接時容易產(chǎn)生熱裂紋。如果用單光束激光加工，材料加熱和冷卻速度極快，焊縫深寬比大，焊縫結(jié)晶組織方向性強(qiáng)，鋁合金焊接會在焊縫金屬和近縫區(qū)出現(xiàn)裂紋。出現(xiàn)在焊縫區(qū)的是結(jié)晶裂紋，出現(xiàn)在近縫區(qū)的為液化裂紋。一般在激光焊接時，近縫區(qū)很窄，大約在2O0ηm以下，不會對整個焊接接頭造成很大危害，所以重要的是如何止結(jié)晶裂紋。一般來說合金成分越大則產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的可能性越大，焊接速度越大則焊縫中裂紋數(shù)越多。出現(xiàn)以上情況是冷卻速度過快而合金元素不能完全固溶于結(jié)晶中且加熱冷卻時體積變化很大，產(chǎn)生很大的變形于應(yīng)力并作用于發(fā)生共晶的晶界上產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。在楚天激光工業(yè)激光設(shè)備有限公司激光加工工藝部進(jìn)行的試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用平均功率為30 W單光束YAG激光進(jìn)行鋁合金焊接時，如果采用高速多次掃描并且每次的離焦量不同進(jìn)行焊接試驗，最終發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋明顯減少，焊接強(qiáng)度增加。

　　如果利用多光束焊接，可以通過調(diào)節(jié)主光束與跟隨光束沿焊縫的距離從而降低其冷卻速度，達(dá)到減少焊接熱裂紋的效果。

　　三、鋁合金薄板多光束YAG激光焊接

　　1、多光束YAG激光的焊接光束布置

　　采用3光束激光進(jìn)行鋁合金焊接，根據(jù)具體的焊接要求，可以采用串列式、并列式、交叉式等光束布置方式，如圖3所示。

　　2、多光束YAG激光基本光路設(shè)計

　　系統(tǒng)光路由硬光路和兩光纖傳輸?shù)娜嵝怨饴饭?條光路構(gòu)成。如圖4所示，平均功率50 W 的激光光束從諧振腔中射出后，分光鏡將出射激光分成功率為2∶1的2束激光。其中占總功率2/3 的330W左右激光束經(jīng)過擴(kuò)束聚焦輸出主光束。占總功率1/3 的激光束再由半透半反分光鏡分為功率相等的2束激光，可以達(dá)到分別藕合到光纖中進(jìn)行傳輸聚焦輸出，功率大約可以達(dá)到70 W左右。圖4中7可以電控使之自由插人光路，使輸出光路由單光束變?yōu)閮晒馐��?光束。

　　一般來說，鋁合金激光焊接在功率密度為105- 106W/cm2之間時，實現(xiàn)熱導(dǎo)焊;功率密度在106-107W/cm，之間時，實現(xiàn)深熔焊。對于平均功率為50w，YAG 固體激光器而言，其脈沖峰值功率可達(dá)10kw，激光光斑經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦后，聚焦光斑的直徑可達(dá)0.lmm，焦點附近激光功率密度可達(dá)108w/cm2左右，完全能夠?qū)崿F(xiàn)激光深熔焊。系統(tǒng)設(shè)計使主光路輸出功率占總功率的2/3，超過了鋁合金激光深熔焊的臨界功率4.0*l06w/cm2，可以實現(xiàn)激光深熔焊。

　　四、結(jié)語

　　多光束 YAG激光焊接鋁合金將同一激光器的光束分為3束，光束分布靈活，同步焊接，有希望解決鋁合金薄板激光焊接過程的部分缺陷。如果合理使用保護(hù)氣體并設(shè)置恰當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)，有可能解決鋁合金薄板的YAG激光焊接難題，并為利用大功率的YAG固體激光器焊接厚板提供參考。