脉冲激光焊的脉冲波形对薄板镁合金焊缝成型的影响

张效宾 李志勇

摘 要：本文采用Nd-YAG脉冲激光器对AZ31镁合金薄板进行自熔焊，在其他工艺参数相同的情况下，研究脉冲激光波形对焊缝成型及焊缝尺寸的影响及变化规律。实验结果发现，脉冲波形对焊缝形貌有着重要影响，恒定波形，光斑粗大；附加缓升和缓降的波形，焊缝形貌好；附加尖峰能量的波形，适合反射率高的母材。

关键字：激光脉冲波形；薄板镁合金；焊缝成型

由于镁合金的密度小、表面张力小、熔点低、沸点低、热导率和热膨胀系数大，化学性质活泼等特性，使得传统焊接方法焊接镁合金时存在一些困难[1-2]。

激光焊由于其具有能量密度高、焊接变形小和自动化程度高等特点，因而适用于镁合金的焊接 [3]。采用Nd：YAG脉冲激光焊接时，脉冲波形对焊缝形貌有显著影响。郭永强[4]研究了激光脉冲波形对铝合金焊接效果的影响，分析脉冲波形对焊缝形貌以及力学性能的影响；师文庆[5]通过研究脉冲激光焊接H62黄铜，发现选择快速上升、缓慢下降的波形时，可以提高对激光能量的吸收效率。然而，目前Nd：YAG激光脉冲波形对镁合金薄板的自熔焊的研究还不多，有必要开展相关研究。

本文针对应用较广泛的AZ31镁合金进行表面自熔焊，在相同的参数下，通过改变激光脉冲波形，探究焊缝的表面形貌和焊缝的尺寸变化规律，为后续研究提供实验基础。

1、实验条件

1.1实验材料

实验选择的焊接材料为2mm厚的AZ31镁合金薄板，尺寸为60mm×30mm×2mm，母材的化学成分如表1所示。

1.2实验设备

实验采用的设备为AC-300W型Nd-YAG固体激光器，最大平均功率为300W，最小光斑直径为0.2mm，激光波长为1.06μm，移动平台采用CNC2000数控系统操作。实验结束后，用焊接检验尺测量焊缝的宽度。

1.3实验方法

实验前，先用砂纸打磨试样表面，去除表面氧化物，然后用丙酮溶液擦拭试样表面并吹干；由于镁合金易氧化，因此焊接过程中需通入惰性气体（Ar）保护熔池。经优化前期实验数据，实验参数选择如下，如表2；实验选择4种脉冲波形A、B、C、D，如图1所示。

2、实验结果与讨论

从不同保护气体流量下的焊缝形貌中可看出在单脉冲能量和峰值功率一定的情况下，激光脉冲波形的变化对焊缝形貌有着较为显著的影响。波形A的焊缝外观粗糙，焊缝周边有毛刺，且激光光斑粗大；波形B焊缝形貌有所改善，但焊缝略显粗糙；波形C和波形D焊缝效果较好，焊缝均匀，但波形D的光斑间距略小；另外，还可发现从波形A到波形D，焊缝的宽度逐渐变小。

在焊接过程中传热方式对于熔池的温度分布、形状极为重要，激光焊接亦是如此，并且脉冲波形改变了激光脉冲的能量分布，不同的脉冲形状意味着不同的能量输送方式。波形A一开始就输入高能量并且恒定，使母材表面瞬间熔化，部分区域出现飞溅，焊缝周边存在毛刺，且光斑较粗大；波形B在起始端和结束端均有缓升、缓降的特性，使得焊缝熔池有较好的熔化和冷却过程，焊缝形貌得到改善；波形C在波形B的基础上继续增大能量缓升和缓降过程所占比重，降低内部应力，抑制裂纹和气孔形成；波形D利用开始出现的尖峰能量迅速改变金属表面状态，使其温度上升至熔点，从而使材料表面反射率降低，获得较好的焊接效果。

3、结论

（1）当峰值功率为1.75KW、单脉冲能量10.05J、脉冲频率15Hz、焊接速度4mm/s、离焦量+2mm和保护气体流量5L/min時，脉冲波形C可获得成型美观的自熔焊缝；

（2）脉冲波形对焊缝形貌有着重要影响，恒定波形光斑粗大，部分区域出现飞溅；附加缓升和缓降的波形，熔池有较好的熔化和冷却过程，焊缝形貌好；附加尖峰能量的波形，能迅速熔化金属表面，增加吸收率，适合反射率高的母材。

参考文献

[1]陈振华， 夏伟军， 严红革， 等. 变形镁合金[M]. 北京： 化学工业出版社， 2005.

[2]王聪.镁合金脉冲MIG焊及低功率YAG激光+脉冲MIG电弧复合焊机额工艺研究[D].大连理工大学，2011.

[3]巫瑞智，张景怀，尹冬松.先进镁合金制备与加工技术[M].北京：科学出版社，2012：15.

[4]郭永强，徐阳熠，易一平，等.激光脉冲波形对铝合金焊接效果的影响[J].应用激光，2013，33（4）：434-438.

[5]师文庆，杨永强，王迪，等.脉冲激光焊接H62黄铜[J].焊接学报，2010，31（7）：102-104.

作者简介

张效宾（1988-），男，汉族，吉林市，吉林工业职业技术学院，讲师，硕士研究生，研究方向为：镁合金的焊接技术。