激光焊接3系铝合金的工艺分析(含参数优化表)
来源:斯诺克录像回放 发布时间:2024-04-12 00:44:36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,甚至会出现焊不透的现象。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,焊接基本不可以进行,只是对表明上进行一定加热。当高于1500W时,能够直接进行正常焊接。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。
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能增加激光焊接频率或者降低焊接速度,普通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非常非常重要的。
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最大限度地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,中间单位体积内的包含的能量最高,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。