光纖激光器在鋁合金IT構件產品中的應用

朱寶華，肖 華

（深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518057）

光纖激光器在鋁合金IT構件產品中的應用

朱寶華，肖 華

（深圳市大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518057）

對脈沖激光器和光纖激光器焊接鋁合金IT構件產品進行對比試驗，考察了強度、效率、外觀、變形量等工藝參數。結果表明，光纖激光器能夠獲得更大的強度、更高的效率、更好的外觀以及相似的變形量。

鋁合金；光纖激光器；連續焊；脈沖點焊

0 前言

隨著手機、平板電腦、筆記本等消費類電子產品的更新發展，大量新工藝、新材料、新結構得到了應用，而鋁合金具有質量輕、強度高、耐腐蝕、成型性好等優點，被廣泛應用于制作各種消費類電子產品的結構件，并采用激光脈沖點焊工藝做進一步加工。在使用激光進行脈沖點焊時，焊點極易產生裂紋，造成焊接強度下降，穩定性也大大降低。傳統的CO2、YAG等連續激光器焊接鋁合金雖然能夠避免裂紋的產生，但是傳統激光器光束質量差、體積龐大、維護費用高、光電轉換效率低，在一定程度上制約了其在消費類電子產品上的應用。尤其是消費類電子產品的結構件都具有厚度薄、體積小、精度高等特點，采用傳統連續激光器焊接時易產生變形大、焊穿、燒熔等缺陷。

光纖激光器的快速發展為解決這一難題帶來了契機，光纖激光器誕生于20世紀60年代，受當時技術條件限制，發展比較緩慢[1]。自1988年Snitzer等人提出雙包層光纖以來，基于這種包層泵浦技術的光纖激光器和放大器獲得了快速發展，光纖激光器的輸出功率水平快速提升，并廣泛應用于高精度激光加工、激光醫療、光通信及國防等領域[2-3]。相對于傳統激光器，光纖激光器光束質量好、體積小、精度高、光電轉換效率高[4]。在焊接消費類電子產品的鋁合金結構件時，能夠很好地避免傳統激光器焊接時存在的一些缺陷和問題。在此將光纖激光器和在消費類電子產品鋁合金結構件上應用廣泛的脈沖激光器進行對比研究，以確定光纖激光器是否能夠成功應用于此類產品上。

1 試驗材料和設備

1.1 試驗材料

試驗選取了具有代表性的5052鋁合金作為材料，并分析其化學成分，結果如表1所示。材料厚度為0.8 mm，焊接接頭為搭接接頭。

表1 實驗材料化學成分％

試驗所用脈沖激光器為YAG燈泵功率反饋脈沖激光器，激光器功率300 W，其外觀如圖1所示。光纖激光器采用IPG公司生產的單模光纖激光器，激光功率500 W，外觀如圖2所示。

圖1 YAG脈沖激光焊接機

圖2 IPG500W光纖激光器

試驗過程中采用金相分析法評估焊接質量，通過拉力測試評估焊接強度，并通過測量焊后工件外觀尺寸的方法評估焊接變形。試驗中的焊接參數如表2、表3所示。

表2 脈沖激光器焊接參數

表3 光纖激光器焊接參數

1.2試驗設備

2 焊接缺陷

鋁合金激光焊接的主要缺陷是氣孔和裂紋，這點在脈沖激光焊接時體現的尤為明顯[5]。一般認為鋁合金激光焊接產生的氣孔主要是氫氣孔和低熔沸點合金元素蒸發導致的氣孔[6]。鋁合金線膨脹系數高，焊接應力大，又是共晶型合金，易產生熱裂紋[7]。尤其是激光脈沖點焊時，單個脈沖作用時間短，熱循環速度快，裂紋傾向很大。而采用光纖激光器連續縫焊鋁合金時，由于熔池存在時間大大延長，改善了焊接應力以及低熔點物質對焊接裂紋的影響，極大地減少了焊接過程中產生裂紋的傾向。同時，熔池存在時間的延長也有利于熔池中氣體的排出，減少焊接氣孔的形成。

脈沖激光器鋁合金點焊焊點與光纖激光器縫焊焊縫金相對比如圖3所示，由圖3可知，光纖激光器連續縫焊條件下，裂紋和氣孔都得到了明顯的改善。

3 強度和穩定性

焊接裂紋會明顯降低焊接接頭的強度，對產品的使用性和可靠性有巨大影響，是最具危害的焊接缺陷之一[8]。鋁合金脈沖激光點焊時，裂紋是影響焊接強度的一個重要因素，由于裂紋的不可避免性以及不規律性，造成鋁合金點焊的強度遠遠低于材料本身的強度，并且各個焊接產品之間的強度差異也很大，穩定性較差。而光纖激光器連續焊接方式焊接鋁合金能夠避免焊接裂紋的產生，有效提高焊縫的強度和穩定性。

光纖激光器和脈沖激光器焊接同一鋁合金產品的焊接拉力對比如圖4所示。經計算，光纖激光器的平均拉力是脈沖激光器的3.9倍，而拉力數據的標準偏差只有脈沖激光器的1/3。結合圖3的金相分析可知，光纖激光器的焊縫結合部位的寬度比脈沖點焊小得多，但是拉力能達到脈沖激光器的近4倍，這是因為：（1）光纖激光器焊縫在長度方向上仍有延伸，實際的有效結合面積并不比脈沖焊點小；（2）脈沖焊點的氣孔和裂紋等焊接缺陷造成其焊接強度遠低于母材強度，而光纖激光器焊縫的強度接近母材。因此，光纖激光器在焊接該類型產品時，相比脈沖激光器能夠有效提高強度和穩定性。

圖4 脈沖激光器鋁合金點焊焊點與光纖激光器縫焊拉力對比

4 焊接效率

由于光纖激光器縫焊的拉力大大高于脈沖激光點焊，這為提高焊接效率提供了空間，通過減小焊縫條數和焊縫長度，能夠在較高的焊接效率條件下，實現與脈沖激光點焊相同甚至更高的焊接拉力。

在實際操作過程中，通過合理優化焊接參數、焊縫條數、長度以及焊接位置等，光纖激光器分段連續縫焊工藝完全可以替代原有的脈沖激光點焊工藝。根據實際生產中的統計數據，該工藝獲得了原有脈沖激光點焊工藝3倍以上的生產效率，同時，將焊接拉力提高到原有脈沖激光點焊工藝的1.5倍以上。

5 焊接變形

鋁合金線膨脹系數大，易產生焊接變形。激光焊接鋁合金的變形量相對較小，但是在焊接IT構件類精密程度較高的產品時，即使微小的變形仍然會產生較大的影響，需要進行預防控制。一般采用傳統連續激光器進行縫焊的熱輸入量都要大于脈沖激光點焊，因此變形量也會比脈沖激光點焊大。而光纖激光器由于具有優異的光束質量，光斑更小，能量更集中，能夠以更快的速度和更小的熱輸入量進行焊接，因此產品變形相對傳統連續激光器更小。

由于光纖激光器具有上述特點，同時光纖激光器焊接鋁合金IT構件產品時的強度遠高于脈沖激光器，通過合理優化光纖激光器的焊接參數、焊縫條數、焊縫長度以及分布位置，在滿足工件的強度要求的同時，減少了焊接過程中注入工件的整體熱量，以達到進一步減小工件焊接熱變形的目的。經測量，光纖激光器縫焊工件的整體焊接變形量超出脈沖激光點焊3.5％，相對脈沖激光點焊工藝差異不明顯，能夠滿足實際需求。

6 產品外觀

IT構件類產品對外觀都有較高的要求，而鋁合金材料受元素偏析、表面粗糙度、氧化層等影響，造成工件表面激光吸收率不一致，這種現象對激光脈沖點焊影響較大[9]。采用脈沖激光點焊時容易出現未焊合、飛濺、煙塵等問題，影響產品外觀和性能，需要進行二次清理。

脈沖激光器點焊焊點與光纖激光器縫焊焊縫的外觀對比如圖5所示。光纖激光器連續縫焊鋁合金時，焊接過程更加平穩，不易產生飛濺和煙塵，無需要進行二次清理，在外觀和工序上均優于脈沖激光器。

7 結論

（1）采用光纖激光器連續縫焊鋁合金IT構件產品可以避免脈沖激光點焊時常出現的焊接裂紋、氣孔等缺陷，大大提高了焊接強度及其穩定性。

（2）通過優化光纖激光器的焊接參數、焊縫條數、焊縫長度以及分布位置，可以減小焊接變形，提高生產效率。

（3）光纖激光器焊接鋁合金IT構件時，焊縫平滑美觀，不易產生飛濺、煙塵等，不需要進行二次清理，減少了生產工序。

（4）光纖激光器分段縫焊工藝在焊接強度、外觀、生產效率等方面均優于脈沖激光器點焊工藝，并且在變形量與脈沖激光器相當，完全可以取代普通脈沖激光器在鋁合金IT構件產品上的應用，具有較高的應用價值。

圖5 脈沖激光器點焊與光纖激光器縫焊外觀對比

[1]張勁松.高功率光纖激光器發展概況[J].光通信技術，2009（12）：8-10.

[2]Snitzer E，Hakimi P H，Tumminelli F，et al.Double-clad，offset core Nd fiber laser[C].Optical Fiber Communication Conf.，1988：PD5.

[3]樓祺洪，周軍，朱健強，等.高功率光纖激光器研究進展[J].紅外與激光工程，2006（4）：135-138.

[4]曾惠芳，肖芳惠.高功率光纖激光器及其應用[J].激光技術，2006，30（4）：439-439

[5]陶汪，陳彥賓，李俐群等.脈沖激光點焊鋁合金工藝特性研究[J].中國激光，2007，34（Suppl.）：307-307

[6]戴景杰.鋁合金激光焊接工藝特性研究[J].電焊機，2010，40（3）：21-22

[7]劉世永，孟德，黃德康.鋁合金激光焊接的研究現狀[J].機械工程材料，2004，28（9）：5-8.

[8]張大文.鋁合金激光焊接工藝研究[D].吉林：長春理工大學，2012.

[9]趙守輝.鋁合金激光點焊工藝優化[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

Fiber laser welding application on aluminum alloy IT structure products

ZHU Baohua，Xiao Hua
（Han’s Laser Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，China）

The contrast experiments are done to find the difference about weld strength,efficiency,appearance and deformation between fiber laser and pulse laser，the results show that the fiber laser is better than pulse laser on weld strength,efficiency and appearance,and the weld deformation of two kinds of lasers are similar.

aluminum alloy；fiber laser；continues wave welding；pulse spot welding

TG456.7

B

1001-2303（2015）08-0036-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.08

2014-10-31；

2014-12-20

朱寶華（1981—），男，安徽人，高級工程師，碩士，主要從事激光焊接工藝研究工作。