异厚异质铝合金超薄板激光焊接工艺试验研究.pdf

机械设计与制造76Machinery Design&Manufacture第8 期2023年8 月异厚异质铝合金超薄板激光焊接工艺试验研究文梦蝶，陈苗苗，陈素，张大斌（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳5 5 0 0 0 0）摘要：激光焊接是实现手机用异厚异质铝合金超薄板连接的有效方法，但未焊透或易焊穿等频发问题严重降低焊接质量。以0.18 mm厚的3 系和0.4mm厚的5 系铝板为焊接对象，采用单因素定量分析方法研究激光功率、焊接速度和离焦量对焊件剪切力和焊缝质量的影响规律，结果表明焊件剪切力、焊缝质量均与激光功率呈正相关关系，与焊接速度呈负相关关系；相较于正离焦，采用负离焦能够获得更高的焊件剪切力，且焊件剪切力随负离焦量（0 0.2 5)mm增大而增加。通过正交试验和极差分析方法，发现离焦量是影响异厚异质铝合金超薄板激光焊接的关键因素；当激光功率、焊接速度和离焦量分别为2 45 W、2 7 5 m m/s、-0.2 5 m m 时，可以获得力学性能优越、成形良好的接头。关键词：铝合金超薄板；激光搭接焊接；异厚异质；焊接质量；工艺试验中图分类号：TH16;TG456.7Experimental Study on Laser Welding Technology of Ultra-Thin AluminumAlloy Plate with Different Thickness and HeterogeneityWEN Meng-die,CHEN Miao-miao,CHEN Su,ZHANG Da-bin(School of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guizhou Guiyang 550000,China)Abstract:Laser welding is an effective method to realize the connection between mobile phones and ultra-thin aluminum alloyplates with different thicknesses and heterogeneity,but frequent problems such as incomplete or excessive penetration seriously re-duce the welding quality.Taking 0.18mm thick 3-series and 0.4mm thick 5-series aluminum plates as welding objects,the ef-fects of laser power,welding speed and defocusing amount on welding shear force and weld quality were studied by single factorquantitative analysis method.The results show that welding shear force and weld quality are positively correlated with laser powerand negatively correlated with welding speed.Compared with positive defocus,negative defocus can obtain higher shear force ofweldment,and the shear force of weldment increases with the increase of negative defocus amount(0-0.25mm).Through orthogo-nal test and range analysis,it can be observed that defocus is the hey factor affecting laser welding of ultra-thin aluminum alloyplates with different thickness and heterogeneity When the laser power,welding speed and defocus are 245W,275mm/s and-O.25mm respectively,the joint with superior mechanical properties and good forming can be obtained.Key Words:Aluminum Alloy Ultra-Thin Plate;Laser Lap Welding;Different Thickness and Heterogeneity;Weld-ing Quality;Technological Test文献标识码：A文章编号：10 0 1-3 9 9 7(2 0 2 3)0 8-0 0 7 6-0 41引言5G时代的到来推动了智能手机的快速发展，中框作为智能手机的核心结构件，要求材料具有轻质、高强、耐腐蚀、良好散热性等优越综合性能。铝合金因其密度小、导热性好、耐腐蚀等优点在手机中框中得到广泛应用，3 系铝合金防锈效果好，5 系铝合金密度低，将两种材料组合连接后，可以满足手机中框对轻质、高强、耐腐蚀等性能的特殊要求，同时延长产品使用寿命。激光焊接因具有连接强度高、热影响区小、变形小、焊接效率高、易于实现自动化等优点 2,已成为连接铝合金结构件的有效方法，但手来稿日期：2 0 2 2-0 6-0 1基金项目：贵州省科技计划项目（黔科合平台人才 2 0 19 5 6 16 号）作者简介：文梦蝶，（19 9 8-），女，贵州织金人，硕士研究生，主要研究方向：激光焊接；陈苗苗，（19 9 5-），女，贵州毕节人，硕士研究生，主要研究方向：超快激光应用机中框通常由不同厚度的异质铝合金组合而成，且焊件厚度薄，因此焊接时易出未焊透或易焊穿的问题，导致焊接接头质量达不到设计要求 3 。对于超薄板的焊接，国内外专家近年来做了大量的研究，文献(4研究的0.1mm纯铝板叠焊表明：热输入量会直接影响焊缝间隙，并且随着焊缝间隙的增大而增大，控制热输人量对于质量控制有一定的作用，但具体优化工艺参数并未提出。因此文献5 对0.25mm厚5 系铝合金板进行了激光点焊工艺研究，通过改变工艺参数脉冲持续时间和峰值功率，得出焊缝熔深及剪切强度测试表2 单因素试验第8 期过程中施加的拉力方向都会影响焊接接头断裂的机理。金属焊接中，焊缝熔深和剪切力大小是表征焊接接头质量的重要指标，焊接过程中熔池成型会直接影响所得焊接接头的质量，于是文献6 对微米级金属板激光焊的熔池成型尺寸进行了相关研究，得到熔池尺寸与离焦量有关。同时文献 7)对0.5 6 mm及0.8 5 mm厚SS316板材进行激光焊接的参数优化研究后，进一步得到了影响微米级厚激光焊接头质量的重要因素还有激光功率和扫描速度。现存文献对于异厚异质超薄铝板激光焊接问题的相关研究较少，故在无气体保护条件下，辅助振镜扫描激光微焊接技术对0.18mm厚3 系列及0.4mm厚5 系列铝板进行搭接焊工艺参数研究，探讨焊接速度、功率和离焦量与剪切力、焊缝有效熔深之间的相关性。为获得符合实际生产需求不同厚度异质超薄铝板搭接焊焊接头质量及激光搭接焊工艺奠定基础。扫描振镜技术是通过振镜摆动实现光束偏转，改变焦点位置，具有惯性小、速度快等特点8,利于超薄板的焊接。2 工艺试验2.1试验设备及材料试验材料为0.18 mm厚的3 系铝合金和0.4mm厚的5 系铝合金，3 系铝合金规格为（5 10 x0.18)mm，5 系铝合金的规格为（10 x15x0.4)mm，两种母材的化学成分质量分数百分比经光谱仪测定,如表1所示。表1材料成分（质量分数%）Tab.1 Composition of Base Metal(Mass Fraction%)元素A13系铝97.700.720.290.160.093.120.563.005系铝91.4 2.08 0.44 1.023.55试验所用设备主要由YLR-200-WC激光器，波长10 7 0 nm，配置纤径14m、场镜焦距17 0 mm、准直透镜瑞雷振镜15 0 mm，输出功率5 0 0 W，束腰光斑为15.8 m左右，焊接设备的装配关系，如图1所示。文梦蝶等：异厚异质铝合金超薄板激光焊接工艺试验研究和灰尘，并静置室内吹干备用。室温（2 6 2 8）下进行单因素试验，结合现有工艺与可调参数范围，保持焊接速度为2 7 0 mm/s，离焦量为0 mm时，进行焊接功率为（2 3 5 2 7 5)W的单因素5 水平试验；保持焊接功率在2 45 W，离焦量为0 mm时，进行焊接速度为（2 2 5 3 2 5)mm/s的单因素5 水平试验；试验保持焊接功率在2 45 W，焊接速度为2 5 0 mm/s时，进行离焦量为（-0.5 0.5)时的单因素5 水平试验,且一组工艺参数下重复焊接三次，对焊接件进行0 剪切力测试，获得焊接接头抗拉伸强度，即剪切力大小，结合剪切力和焊接接头焊缝宏观形貌，分析焊接功率、焊接速度和离焦量对焊件机械强度的影响，定义适宜焊接工艺窗口的中心焊接参数，得到单因素试验，如表2所示。Tab.2 Single Factor Experiment因素水平焊接功率/W235,245,255,265,275焊接速度/(mm/s)225,250,275,300,325离焦量/mm0.5,0.25,0,0.25,0.5FeAgNiMgPb0.84 0.480.2677验。影响焊接接头质量及焊缝成形其中三个关键因素分别是激光功率、焊接速度、离焦量，故实验分为：三个因素对焊点机械强度影响的单因素试验。三个因素对焊点机械强度、焊件有效熔深影响的正交试验。实验时采用A在上、B在下的搭接方式，激光作用于A表面进行单点焊接（A为3 系铝合金、B为5 系铝合金），焊点半径大小为1.5 mm，焊件焊接具体位置，如图1所示。铝板上下表层需使用纤维棉质纸蘸取少量无水乙醇擦拭，去除污渍SnCr根据单因素实验定义中心焊接工艺参数设计正交试验，正交试验结果评价指标有剪切力和有效熔深,且每组工艺参数焊接6次，取3 次进行0 剪切力测试，另取3 次进行金相检测，检测前需在光学显微镜下观察焊接板材焊接区域的宏观形貌。通过正交试验分析焊接功率、焊接速度和离焦量对焊点机械强度及焊件熔深的影响，优化焊接工艺参数。2.3检测试验2.3.1剪切力检测试验剪切力大小表征焊件焊接头的抗拉强度，是衡量焊接头质量的一个重要的指标。单因素、正交试验均需要对焊件焊接头抗拉强度进行测试，剪切力测试方式一般分为0 9 0 18 0，使用艾德堡拉力测试设备进行0 剪切力测试方式。剪切力拉伸试验时，固定焊件B端，匀速拉伸A端，拉伸示意，如图2 所示。ABA1.准直透镜2.振镜3.场镜4.激光光束5.焊接路径图1焊接设备装配及焊接示意Fig.1 Welding Wquipment Assembly and Welding Diagram2.2试验方案结合前期研究与现有超薄板焊接工艺方法，确定试验首先采用单因素法定义工艺窗口中心参数，之后采用正交试验法设计试B1.拉伸端2.固定端图2 焊件拉伸示意图Fig.2 Drawing Diagram of Welding Parts2保持焊接功率在2 45 W，焊接速度为2 5 0 mm/s时，图3（c）中剪No.878机械设计与制造2.3.2金相试验当保持焊接功率在2 45 W，离焦量为0 mm时，图3（b）中可以金属材料进行焊接后，需要进行金相试验，以检测焊件在某看出剪切力与焊接速度呈负相关，随着焊接速度的增大，焊点的种焊接工艺参数下的熔深大小，熔深对焊接接头的质量起着决定剪切力随之减小，焊点剪切力几乎与焊接速度成反比，当焊接速性因素，检测焊件的有效熔深(处于下层材料的熔深大小)。将焊度大于2 5 0 mm/s时，剪切力的下降趋势减缓，故定义中心焊接速件放置在金相研磨机内研磨，磨抛完成后用棉签棒蘸取酒精洗净度参数为2 7 5 mm/s。由于焊件厚度极小，焊接模式为热传导模研磨部位，并反复擦腐蚀液（按1:3 混合浓度为6 0%的HNO,溶式，当焊接速度不断增大时候，影响熔池内的热量传导，导致熔深液和FeCl,溶液）,静置片刻后用显微镜测量熔深。逐渐减小。通过焊缝表面质量分析可知，焊接速度减慢时，加快3试验结果及分析熔池内的热量传导焊，加大熔深，铝板蒸汽逸出，激光光束线能量在起始处极易产生发生塌焊，如图5 所示。3.1单因素试验结果分析单因素试验表明：剪切力随功率、焊接速度和离焦量变化而变化规律，如图3 所示。90F80(a)7088402010E230240250260焊接功率（W）(a)功率图3 各因素与剪切力的关系Fig.3 Factors and Shear Forces(1)激光焊接功率的影响图3（a）中，焊接速度为2 7 0 mm/s，离焦量为0 mm时剪切力随着焊接功率的增大而升高，当焊接功率达到2 5 5 W以上时焊接接头的剪切力变大趋势变缓且拉伸过程中焊接接头直接发生断裂。这是由于上层材料厚度小于下部材料，持续输人激光光束能量密度过大导致上层焊材表面发生汽化形成凹坑，剪切力试验拉伸焊件时易在上层材料凹坑处发生断裂。试验用激光辐射照度可达（2.5 42 10*)W/cm大于10 W/cm，上层焊材3 系铝在激光作用下熔化，所产生的蒸气反冲压力将熔融材料抛出，焊点范围内部分材料瞬时汽化，光束直接作用材料熔化抛出所行成的凹坑处9,使3 系和5 系铝箔进一步熔化汽化，焊缝熔深逐步加大，导致上下板材之间的粘结力增大，焊接接头的机械强度也在逐步增大，部分3 系铝箔材料表面汽化后形成气体逃逸，焊接接头表面形成凹坑，导致焊接接头在进行剪切力拉伸试验时焊接接头在3 系铝箔层发生断裂，如图4(b)所示。激光能量输人持续增加，焊接材料的表面会因激光束能量过大而继续汽化，加剧上部材料气孔的形成，同时烧穿底部焊接材料5 系铝箔，导致焊接外形不美观，焊接接头在进行剪切力试验时易在3系铝箔层发生断裂,如图4(a)所示。图4(c)中焊接路径较图4(d)中更为完整，两种焊接功率参数下均未发生断裂，故取2 45 W为中心焊接工艺参数。(a)275W(b)265W图40 剪切力测试后焊接头处示意图Fig.4Weld Joint After OShear Force Test(2)激光焊接速度的影响Aug.2023(b)(c)270202402602803003200.40.20.00.2焊接速度（mm/s）离焦量（mm）(b)焊接速度(c)离焦量(c)245W(d)235W图5 塌焊现象Fig.5Flat Welding Phenomenon（3)激光焊接离焦量的影响0.40.6切力随着离焦量的增大而减小，当离焦量大于Omm以后焊接头的抗拉伸强度迅速降低，并且当离焦量为5 mm时通过电子显微镜观察到只有浅浅的一层熔深漂浮在上部材料，焊缝有效熔深也为0，焊接完全失效，故微米级薄板的激光焊接不宜使用正离焦，从焊接的宏观形貌和剪切力数据综合分析，定义中心离焦量参数为0 mm。3.2正交试验由上述单因素试验得到焊接功率、焊接速度和离焦量对异厚铝箔机械强度的影响规律，针对上下部材料厚度差异导致的焊接强度小的情况，定义了焊接工艺窗口中心焊接工艺参数分别为245W、2 7 5 mm/s 和0 mm。设计了三因素四水平正交试验 10(L16(43),其他工艺参数在试验过程中保持不变，每组试验重复进行六次，三次测试焊件剪切力，其余三次测试焊件有效熔深皆取均值,其因素水平编码，如表3 所示。Tab.3Levelsof Experimental Factors水平激光功率/W1235224532554265分析计算实验结果,用K(=1,2,3,4)评价各因素在i水平下的总剪切力和总有效熔深；k,评价各因素在i水平下的平均剪切力和有效熔深且k=K/4；各因素的极差为R；计算结果，如表4所示。表4列出了16 组试件剪切力试验和金相试验的结果，焊缝的微观组织金相图，如图6 所示。图6(a)图6(c)中，上下板材之间已经产生了明显的缝隙，一般产生缝隙的原因是焊接过程中两块板材之间没有压紧，再者是进行金相试验时，焊件受研磨机研磨表3 实验因素水平因素焊接速度/(mm/s）225250275300离焦量/mm0.250-0.25-0.5No.8Aug.2023挤压，使得上下板材之间产生缝隙，随着功率的升高，焊缝熔深明显增加。表4正交试验结果分析表Tab.4 Analysis Table of Orthogonal Results项目K1K2K3K4K1剪切力K2K3K4极差R1主次顺序优组合K1K2K3K4K1有效K2熔深K3K4极差R2主次顺序优组合倍率：X200(a)235W,0mm,275mm/s(b)245w,0.25mm,250mm/s(c)255w,0.25mm,275mm/s图6 中焊接速度不变时，功率越小熔深越小。当功率在235W时，熔深小且焊有气孔和凹陷，这一般是由焊接前试件焊缝处存在的杂质导致。当功率大于2 45 时，速度在2 7 5 mm/s时，焊缝熔深达到5 0 m以上，达到单片母材的厚度，满足工艺要求。同时从金相图中可以看出，接头熔合效果良好，焊接质量合格。通过极差分析表可知，各因素对剪切力和熔深的影响大小分别为CBA,CAB,剪切力的优水平组合为A,B,C3,熔深的优水平组合也为A,B,C3。从三个因素对剪切力和熔深的极差分析可知，焊接工艺参数的最佳组合为A,B,C，也即焊接功率为2 5 5 W，离焦量为-0.2 5 mm,速度为2 5 0 mm/s。4结论(1)激光焊接异厚异质铝合金超薄板的单因素试验表明,在给定的工艺参数下，随着激光功率的增加，焊件剪切力增加，焊缝质量改善；随着焊接速度的增大，焊件剪切力显著下降，焊接质量降低；相较于正离焦，采用负离焦量能够获得更高的焊件剪切力，且焊件剪切力随负离焦量(0 0.2 5 mm）增大而增加。(2)正交试验表明，离焦量对焊接质量的影响最大，各因素对焊件剪切力的影响顺序为离焦量 焊接速度 焊接功率，对焊件有机械设计与制造效熔深的影响顺序为离焦量 焊接功率 焊接速度，说明离焦量是影响异厚异质铝合金超薄板激光焊接的关键因素。（3）极差分析表明，激光焊接0.18 mm厚3 系和0.4mm厚5系铝合金的最佳工艺参数组合为：激光功率2 45 W，焊接速度激光功率/W焊接速度/（mm/s）离焦量mm275mm/s,离焦量为-0.2 5 mm。186.9228.7204200.6208.2210.5212.2171.562.376.26866.969.470.270.757.28.419.1CBAA4B111816516316918916417414639.35554.356.36354.75848.723.77.7CABA3B2图6 正交试验金相图Fig.6 Orthogonal Test Metallographic Diagram79218.2参考文献281.51王祝堂.手机机身铝合金新说 C.中国有色金属加工工业协会.2 0 16311.6072.793.8103.90103.9C315923225305377.384.3084.3C3中国铝加工产业技术创新交流大会论文集.内蒙古霍林郭勒：中国有色金属加工工业协会，2 0 16:2 10-2 19.(Wang Zhu-tang.New talk on aluminum alloy of mobile phone fuselageC.China Nonferrous Metals Processing Industry Association.Proceed-ings of 2016 China Aluminum Processing Industry Technology Innova-tion Exchange Conference.Huolinguole,Inner Mongolia:China Nonfer-rous Metals Processing Industry Association,2016:210-219.)2张威,康铭，林传冬，等.异质铝合金激光填丝搭接叠焊接头的组织与性能 J.轻合金加工技术，2 0 2 0(5)：5 1-5 5.(Zhang Wei,Kang Ming,Lin Chuan-dong,et al.Microstructure and prop-erties of laser-filled lap joint of heterogeneous aluminum alloyJJ.LightAlloy Processing Technology,2020(5):51-55.)3杨泉.铝合金焊接技术研究现状及进展 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