铝合金薄板多光束YAG激光焊接设计

1 前言

铝合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀性等优点，广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造材料。铝合金的激光焊接技术是近20年来发展起来的新技术，和传统焊接技术相比，它在焊接的效率、可靠性、精度上具有很大的优势。铝合金焊接的难点在于其对激光的反射率极高，其中对CO:激光的初始反射率接近90%，对YAG激光反射率接近80%。大量文献记载了用高功率CO:激光器进行铝合金焊接的研究或试验，对用YAG激光进行铝合金焊接研究相对较少。部分激光加工企业利用YAG激光器对lmm左右的铝合金薄板焊接进行了试验研究。武汉楚天激光工业激光设备有限公司激光加工工艺部的工程师经过试验，在50 WYAG固体激光器上顺利完成空调铝合金连接架的焊接，强度达到了用户要求，但焊接表面粗糙，有裂纹和气孔存在。另外，通过多次在30WYAG激光器上试验对lmm铝合金焊接，虽然熔深较大，甚至可以实现穿透焊，但焊接后材料强度不够，同时表面有明显裂纹，内部有气孔。部分研究机构利用激光-MIG复合焊或填丝焊的方法进行铝合金激光焊接也取得了一定的成果，但加工工艺相对复杂。本文对铝合金激光焊接技术工艺进行了研究，分析了多光束YAG激光解决铝合金焊接部分缺陷的可能性，提出多光束YAG激光焊接机的光路构建方法。

2 铝合金激光焊接技术难点与解决方法

2.1 铝合金对激光束的高表面反射

进行激光焊接，首先碰到同时也是很难解决的问题是表面对人射激光的强烈反射，可以采用对铝合金表面进行预处理的方法来解决，例如电解抛光、喷砂或阳极氧化处理等方法。但进行表面工艺处理时会增加加工的复杂性甚至破坏表面，特别是在材料本身已做过抛光处理的材料则该方法更不可取。

为了既不破坏焊接件表面状态，同时使激光焊接工艺过程简化，可以采用对焊接材料进行预加热升温的方法提高材料对激光的吸收率。理论与研究均表明，针对红外激光，金属吸收率与温度依赖关系可以用下面简单的表达式描述:

A(T)=A0+r(T一T0)

式中，A0为在温度TO下金属的吸收率，r为吸收率的温度系数，T为温度。图1为金属材料照射激光时的温度上升概念图。图1中A为用CO2激光，B为用YAG激光照射金属时的材料温度上升和相变化状态。

图1 激光照射引起的温度上升和相变

化如果采用一束YAG激光进行预加热使铝合金温度升高，可以提高后继激光主焊接光路的吸收率，实现铝合金薄板小功率激光焊接的可能。

2.2 铝合金激光焊接气孔敏感性高

铝合金激光焊接气孔是铝合金焊接的常见缺陷。气孔有2类，氢气孔和由于钥孔塌陷而产生的气孔。空气和保护气体中的水分以及氧化膜中吸附的水分是产生焊缝气孔的主要原因。在激光加热时，铝合金表面的结晶水和化合水将逐步分解。分解出的水分及空气中的水分可以在激光作用的高温区直接分解产生氢，高温时氢在熔池中溶解度很高，可以吸收大量的氢。如图2所示，由于铝合金的导热性很好，急速冷却过程中，氢的溶解度下降很快，大量的氢来不及析出从而形成气孔。在钥孔模式焊接时，如果钥孔不稳定，熔融金属蒸汽和气体就会留在焊缝根部从而形成气孔。

图2 氢在铝中的溶解度

要解决铝合金激光焊接的气孔敏感性问题，可以利用多光束焊接减缓材料温度降低的速度和增加钥孔尺寸的方法减少上述2种气孔的产生。主光束焊接过后的跟随光束使材料的温度降低速率减慢，同时能够通过调节与主光束的空间距离来避免钥孔塌陷而使铝合金中镁、锌等金属蒸气留在焊缝中形成气孔。

2.3 铝合金焊接热裂纹

铝合金属于典型的共晶型合金，焊接时容易产生热裂纹。如果用单光束激光加工，材料加热和冷却速度极快，焊缝深宽比大，焊缝结晶组织方向性强，铝合金焊接会在焊缝金属和近缝区出现裂纹。出现在焊缝区的是结晶裂纹，出现在近缝区的为液化裂纹。一般在激光焊接时，近缝区很窄，大约在2O0ηm以下，不会对整个焊接接头造成很大危害，所以重要的是如何止结晶裂纹。一般来说合金成分越大则产生结晶裂纹的可能性越大，焊接速度越大则焊缝中裂纹数越多。出现以上情况是冷却速度过快而合金元素不能完全固溶于结晶中且加热冷却时体积变化很大，产生很大的变形于应力并作用于发生共晶的晶界上产生结晶裂纹。在楚天激光工业激光设备有限公司激光加工工艺部进行的试验发现，当用平均功率为30 W单光束YAG激光进行铝合金焊接时，如果采用高速多次扫描并且每次的离焦量不同进行焊接试验，最终发现焊缝裂纹明显减少，焊接强度增加。

如果利用多光束焊接，可以通过调节主光束与跟随光束沿焊缝的距离从而降低其冷却速度，达到减少焊接热裂纹的效果。

3 铝合金薄板多光束YAG激光焊接

3.1 多光束YAG激光的焊接光束布置

采用3光束激光进行铝合金焊接，根据具体的焊接要求，可以采用串列式、并列式、交叉式等光束布置方式，如图3所示。

图3 多光束激光光束布置图

3.2多光束YAG激光基本光路设计

系统光路由硬光路和两光纤传输的柔性光路共3条光路构成。如图4所示，平均功率50 W 的激光光束从谐振腔中射出后，分光镜将出射激光分成功率为2∶1的2束激光。其中占总功率2/3 的330W左右激光束经过扩束聚焦输出主光束。占总功率1/3 的激光束再由半透半反分光镜分为功率相等的2束激光，可以达到分别藕合到光纤中进行传输聚焦输出，功率大约可以达到70 W左右。图4中7可以电控使之自由插人光路，使输出光路由单光束变为两光束或3光束。

一般来说，铝合金激光焊接在功率密度为10^{5- 10^{6W/cm2之间时，实现热导焊;功率密度在10^{6-10^{7W/cm，之间时，实现深熔焊。对于平均功率为50w，YAG 固体激光器而言，其脉冲峰值功率可达10kw，激光光斑经过准直聚焦后，聚焦光斑的直径可达0.lmm，焦点附近激光功率密度可达10^{8w/cm2左右，完全能够实现激光深熔焊。系统设计使主光路输出功率占总功率的2/3，超过了铝合金激光深熔焊的临界功率4.0*l0^{6w/cm2，可以实现激光深熔焊。}}}}}}

图4 多光束光路构建图
1，半反膜片；2，1/3反膜片；3，能量探头；4，光纤观察镜；5，半透半反膜片；6，全反射膜片；7，分路光闸；8，光纤输出耦合装置；9，光纤插头；10，光纤输入偶合装置

4 结语

多光束 YAG激光焊接铝合金将同一激光器的光束分为3束，光束分布灵活，同步焊接，有希望解决铝合金薄板激光焊接过程的部分缺陷。如果合理使用保护气体并设置恰当的工艺参数，有可能解决铝合金薄板的YAG激光焊接难题，并为利用大功率的YAG固体激光器焊接厚板提供参考。

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铝合金薄板多光束YAG激光焊接设计

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