激光摆动焊接6061铝合金板材焊缝成形工艺研究*

刘怀亮，周邵巍，马修泉，刘 庆，王俊康

（1.广东省智能机器人研究院，广东东莞 523808；2.华中科技大学机械科学与工程学院，武汉 430074；3.广东国志激光技术有限公司，广东东莞 523000）

0 引言

铝合金中厚板焊接是航空航天、能源化工、轨道交通等国家重大战略工程高性能装备制造过程中的关键技术[1]。传统电弧焊方法虽然设备简单、操作方便、成本低廉，但由于存在效率极低、焊缝质量不佳、操作环境恶劣等问题，已逐渐被更先进的激光焊接所取代，尤其是对焊接性能要求较高的构件，激光焊接具有热影响区小（热应力应变效应低）、焊接精度与焊接接头质量佳、焊接效率高、对环境污染小等优点，目前激光焊接已被广泛应用在金属、非金属材料连接技术中[2-3]。

激光摆动焊接是利用扫描振镜实现聚焦光束的摆动，与传统固定光束激光焊接相比，具有焊接精度高、焊缝质量与成型性好、对板材拼接缝隙要求低、焊接柔性高等优点[4-5]。研究表明，激光摆动焊接可有效增加熔池的流动、抑制飞溅与气孔的形成、促进焊缝合金元素均匀化，且通过调节振镜摆动速度与幅度，可改变焊缝宽度，降低焊缝融合区的脆性相，从而提高焊缝质量[5-7]。

随着激光技术的快速发展，光纤激光器向着大功率、小体积、高集成的方向发展。目前IPG已生产出500 kW的连续光纤激光器，而国内也已将国产30 kW高功率连续光纤激光器投入商用[1-3]。同时，随着光纤激光器向小型化发展，手持激光焊接技术也随之诞生。由于500～1 000 W光纤激光器大都采用风冷散热，省去了复杂的水路，因此被广泛应用于手持激光焊接机中。手持激光焊接机不像传统的激光焊接一样需要借助焊接平台，只需操作者手持激光焊接头便可进行焊接操作，操作简单灵活，可快速焊接形状各异的复杂焊接工件，不需要额外设计特定的夹具，加工成本低、柔性好。由于激光摆动焊接的诸多优势，目前市场上手持激光焊接头均采用扫描振镜以实现摆动焊接[6]。

1 实验设备与方法

1.1 实验设备与材料

本实验采用国志激光YSM-1000C型光纤激光器，如图1所示，该激光器光纤芯径为14 μm，冷却方式为风冷。激光焊接头采用的是万顺兴ND-18手持摆动焊接头，如图2所示。准直与聚焦镜焦距比为1∶2，零焦位置光斑直径为0.028 mm，最大功率密度为162.5×106W/cm2，大于6061铝合金的能量密度阈值，在此功率密度下可轻松在6061铝合金表面诱导形成匙孔，大大提高铝合金对激光的吸收率。且实验中采用氮气作为焊接保护气，氮气相比氩气，可与铝发生放热反应，生成三元化合物，进一步提高了铝材对激光的吸收。本实验中采用Optronis-CP70高速相机进行图像采集，以研究手持激光摆动焊接过程中的熔池形成与保持。

图1 1 000 W光纤激光器

图2 手持激光摆动焊接头与操作界面

手持摆动焊接头通过调节振镜扫描速度与扫描幅度可达到Wobble摆动焊接效果，可根据需要设点多种波形，如图3所示。焊接过程中需要根据拼接缝的宽窄与板材厚度调节最佳振镜宽度，以达到最佳的焊接强度，此款手持摆动焊接头的最大振镜宽度为5 mm。实验中对比分析了摆动焊接与普通焊接（不开振镜）焊缝质量以及熔池形成过程。

图3 激光摆动焊接原理示意图

实验中采用的是6061铝合金，具有优良的焊接特性以及良好的抗腐蚀性能，被广泛应用在交通运输、航空航天、建筑建材等领域，表1为6061铝合金力学性能参数。6061铝合金表面极易产生一层致密的高熔点氧化膜，增加熔池产生的难度，因此焊接前需要打磨并用丙酮或酒精清理，表2为6061铝合金化学成分参数。

表1 6061铝合金力学性能

表2 实验材料化学成分

1.2 实验方法

实验利用ND-18手持摆动焊接头进行6061铝合金的直角焊接与拼接焊，分别研究了焊接速度、激光功率、振镜速度对焊接性能与焊缝形貌的影响。选用的6061铝板材厚度为4 mm，焊接角度为固定的45°，保护气为99.9%的氮气，流量为35 L/min，采用零焦焊接。由于ND-18为手持焊接头，操作员在操作过程中很难准确控制每次焊接的速度都保持相同，因此在研究焊接速度对焊缝形貌影响时，同一焊道采用先慢后快的操作方式，如图4所示。在每次焊接过程中均使用Optronis-CP70高速相机进行图像采集，采集帧率为3 000帧。

图4 焊接头与板材角度以及实验操作示意图

2 结果分析

2.1 焊接速度对焊缝的影响

如图5所示，在焊接过程中，激光束在6061铝合金表面冲击形成稳定的匙孔，增加了铝合金对激光的吸收率，进而形成稳定的熔池，随着光束左右摆动以及匀速向前移动，形成了均匀的焊缝。通过高速相机观察发现，聚焦光束的左右摆动会搅拌熔池，从而影响熔池的热力耦合与焊缝成形，形成稳定均匀的鱼鳞纹状焊缝形貌。

图5 焊接匙孔与焊缝形貌

为了直观对比不同焊接速度对焊缝形貌的影响，首先在同一道焊缝中采用先慢后快的焊接方式，如图6所示，激光功率为1 000 W，振镜速度为1 000 mm/s，振镜宽度为4 mm。通过高速相机观察发现，两种速度下匙孔的大小并没有发生明显变化，尽管激光焦点会左右摆动，但匙孔的位置始终位于焊缝中央，经研究发现，激光摆动焊接会扩大焊接匙孔。最终的焊缝呈现先宽后窄的形貌，通过多次试验发现，增大焊接速度会降低熔宽，但宽度均大于振镜宽度(振镜宽度4 mm)。当速度进一步增加时，焊缝呈现锯齿状，如图7所示，因此手持激光摆动焊接的焊接速度不宜过快。通过高速影像发现，在激光摆动焊接过程中，较慢的焊接速度往往会产生轻微的飞溅，当提高焊接速度后，飞溅消失。这是由于在较慢的焊接速度下，熔池的热输入量变大，铝气化，并产生气泡，形成飞溅。因此，当对飞溅、气孔要求较高的工况下，焊接速度不宜过慢，应以形成稳定鱼鳞纹状焊缝形貌为准，且焊缝宽度为振镜宽度加1 mm左右。

图6 不同焊接速度对应的焊缝形貌

图7 锯齿状焊接形貌

图8 不同振镜速度对应的焊接形貌

2.2 振镜扫描速度对焊缝形貌的影响

为了进一步研究振镜速度对焊缝形貌的影响，对6061铝合金采用直角焊接，如图8所示。两组实验分别采用1 000 mm/s与600 mm/s的振镜速度，激光功率为1 000 W，振镜宽度为4 mm，焊接速度均保持相同且匀速。实验发现，在相同焊接速度下，较慢的振镜速度，其焊缝宽度为4.2 mm，且焊缝形貌趋向于锯齿状，如图8所示。当振镜速度达到1 000 mm/s时，焊缝宽为5 mm，焊缝形貌呈现均匀美观的鱼鳞纹状。通过多组重复试验发现，在较低的振镜速度下，通过降低焊接速度同样可以达到较好的焊接效果。因此，振镜速度应与焊接速度相匹配，慢的振镜速度对应慢的焊接速度，快的振镜速度对应快的焊接速度。

2.3 单激光与摆动激光焊接对比

单激光焊接由于成本低廉，被广泛使用在工业生产中。图9为不开振镜的单激光焊接过程，由于光纤芯径仅为14 μm，经手持焊接头准直聚焦后，零焦光斑仅为0.028 mm，极易从板材拼接缝隙中漏出。因此，采用正离焦5 mm焊接，此时光斑直径约为0.5 mm。从图9可以看出熔池较小，且没有形成稳定的匙孔。这是由于光斑变大后，功率密度急剧降低，很难在铝合金表面冲击形成匙孔，最终焊缝宽度仅为0.6 mm，焊接熔深较浅，大部分激光并没有被吸收。因此，手持激光焊接头不开振镜不能有效焊接铝合金板材。

图9 单激光焊接高速影像

3 结束语

（1）在激光摆动焊接过程中，焊接速度应以形成稳定鱼鳞纹状焊缝形貌为准，且焊缝宽度为振镜宽度加1mm左右，过快的焊接速度会形成锯齿状形貌，过慢的焊接速度会增加气孔与飞溅缺陷。

新闻摄影构图具有均衡式构图、变化式构图、紧凑式构图、对称式构图多种类型，在实际构图中，需严格遵守构图原则，确保画面层次与主体划分鲜明。具体而言，保障新闻画面的简洁性，利用大光圈等方式处理杂乱背景，将复杂背景虚化，以更好地提升画面中的主体；保障画面信息的丰富性，让观众通过观察照片获取到更多新闻信息；保障画面的主体性，在新闻摄影中应强调一个主体及一个视觉中心原则，在一张照片中不可同时出现多个中心，可通过变焦等方式对拍摄画面进行取舍。

（2）激光摆动焊接的匙孔会随着激光光斑的摆动变大，且匙孔始终位于焊缝中央，激光光束的摆动会搅拌熔池，影响熔池的热力耦合与焊缝成形，形成稳定均匀的鱼鳞纹状焊缝形貌。

（3）激光摆动焊接的振镜速度应与焊接速度相匹配，慢的振镜速度对应慢的焊接速度，快的振镜速度对应快的焊接速度。

（4）手持激光摆动焊接铝合金板材过程中，应采用零焦提高功率密度，并开启振镜，振镜宽度应以板材票拼接宽度为准。