作者：上海飞博激光科技有限公司  刘东宇 王锦军

1.1 实验设备

实验采用高光束质量的飞博激光YDFL－2000－CW－MM高功率连续光纤激光器，工作模式为：CW／QCW，中心波长为1080nm，光束质量M²＜1.6；嘉强BW240－4KW光纤激光高功率以及具有同轴 CCD 显示和照明功能的焊接头（准直聚焦配比为100：200）；史陶比尔TX90六轴机器人。采用JZX91熔深显微镜观察焊缝表面。

1.2 实验材料

按合金化系列，铝及铝合金可分为 1 系（工业纯铝）、2 系（铝 － 铜）、3 系（铝 － 锰）、4 系（铝 － 硅）、5 系（铝 － 镁）、6 系（铝 － 镁 － 硅）、7 系（铝 － 锌 － 镁 －铜）、8 系（其他）八类合金。不同的系列的铝合金由于成分和组织的差异，所表现出来的焊接性能相差也是比较大的。3系铝合金是防锈铝合金，具有优秀的防锈特性，成形性、熔接性、耐蚀性均良好，其中3003铝合金通常用于动力电池外壳，3A21 铝合金用于微波组件外壳。本次实验采用3003铝合金材料进行了激光焊接测试。焊接接头采用对接的方式，将工件切割成100mm＊100mm＊2mm板材进行对焊。

3003 铝合金标准化学成分表

1.3 实验方法

在焊接前使用丙酮溶液超声波清洗器 25 min，以清除试样表面的油污等杂质。采用连续激光和脉冲激光对试样分别进行焊接，焊接完成后在精密测量显微镜观察焊缝表面形貌。

1.4 实验参数

由于铝合金对激光具有高反射性，为防止回反光烧毁激光器，对焊头做了5度的倾斜。在连续激光进行焊接时，分别对离焦量、激光器输出功率和焊接速度 3 个工艺参量进行优化，以获得连续激光焊的最佳工艺参量； 同时，在脉冲激光进行焊接时，脉冲波形为方波，对脉冲能量进行了优化，以获得脉冲激光焊的最佳工艺参量。优化后焊接工艺参数如表 1和表 2 所示。

表1：连续激光焊接参数优化

表2：脉冲激光焊接参数优化

2．实验结果与讨论

2.1 连续激光焊接

连续激光焊接焊缝表面成型如下图：

通过实验，我们将离焦量、焊接速度、激光功率对焊缝表面的影响总结如下：

激光深熔焊的离焦方式有三种：正离焦，零离焦与负离焦，一般要求焊接深度较大时采用负离焦，而针对薄材料焊接时多采用零离焦或者正离焦。在铝合金激光焊接中，离焦量的变化对焊缝的表面成形和熔深都有较大的影响。如上图1－4所示，在零焦点和正离焦量条件下焊缝成型比较平滑，但熔深随之变浅，甚至出现焊不透的现象。随着负离焦的增大，焊缝表面变得粗糙，熔深也随之增加。当离焦量为－2mm时，焊缝表面蒸发剧烈而出现沟壑，下表面也出现明显下塌。所以3003铝合金焊接的聚焦范围在－1mm左右时可获得较好的表面成型以及良好熔深。

激光焊接速度对焊缝表面成型影响也较大，如图5－8所示，在高速焊接时表面成型较为粗糙，随着速度的降低焊缝表面成型较为平滑，但速度过低由于单位输入的线能量较大，下表面也会出现下塌现象。

在进行工艺参数优化时，同时发现在保持零离焦量和焊接速度等其他工艺参数不变的条件下，当功率低于1500W时，焊接基本不能进行，只是对表面进行一定加热。当高于1500W时，可以进行正常焊接。所以针对3系铝合金材料激光焊接，存在一个激光功率密度的阈值，当高于此阈值时才能实现焊接。

2.2 脉冲激光焊接

脉冲激光焊接焊缝表面成型如下图：

采用脉冲模式对3003铝合金进行焊接，如图1－4所示，在激光功率为2000W，离焦量为0的位置时进行焊接，发现无论是改变调制频率还是占空比，焊点的成型均由于功率密度过大，造成焊缝熔池中低熔点Mn金属元素的蒸发汽化，蒸汽压力造成金属飞溅，焊缝表面粗糙，焊缝不连续，有孔洞。当占空接近100％（及接近连续焊接时），焊缝上表面会出现较严重的沟壑，下表面会出现下塌，如图5所示。

通过对比改变离焦量发现在离焦量为＋1时焊缝表面成型最好，在离焦量为＋2时虽然焊缝表面成型较好，但由于离焦太大激光功率密度不足，直接由深熔焊变为热传导焊，仅熔化工件表面，如图5－7所示。

采用单一变量法对6－7、6－11、7－8、8－9、10－11、12－13进行实验数据分析得知，激光功率密度对3003铝合金焊成型影响最大。激光频率与焊接速度两个参数共同决定了光斑重合率的大小，所以要获得致密鱼鳞纹可以增加激光焊接频率或者降低焊接速度，一般工业加工对产品产能有严格的要求，所以在进行需要控制鱼鳞纹致密性的焊接时，例如微波组件的激光封装焊接，要适当的提高激光焊接频率。激光焊接占空比不仅影响焊缝的深度和整个焊接件的变形程度，也会影响焊缝的热影响区晶粒的大小，这对焊接接头的承受抗拉压应力是极其重要的。

3．结论

综合以上实验结果，通过连续－脉冲激光焊接的相比较，发现：在单位时间内线能量一定的条件下，激光功率密度对3003铝合金的焊缝成型起着关键作用。

所以在对3003铝合金进行焊接时不仅要考虑离焦量的变化，更重要的是选择激光器时要充分考虑激光器的光斑模式（即光纤激光器的模块组成分为单模和多模两种，单模激光器的纤芯比较细，光束质量优于多模，能量分布呈高斯分布，中间能量密度最高，三维图是一个尖圆的山峰状。多模激光器的纤芯相比粗一些，光束质量相比单模要差一些，能量分布相比单模光斑平均一些，三维图像一个倒扣的杯子，从边缘陡峭程度来看，多模的比单模的陡峭很多）。同时影响激光功率密度也有激光焊接头的准直聚焦的配比。