多模环型光斑激光焊接气孔率的研究

李旭阳

摘 要：为了研究激光焊接多模环形光斑对铝合金气孔率的影响，采用DOE全因子实验法，进行不同的外环功率和不同摆动振幅时，铝合金气孔数量的对比分析，结果表明多模环形光斑激光器焊接铝合金，气孔数量最主要的影响因素是外环功率的大小，其次是摆动振幅。随着外环功率增大，熔深变深，熔宽随之变大，深宽比减小，气孔明显减少，当增大到芯环比1﹕1时，气孔率最低。随着摆动振幅增大，熔深由倒扣的杯子状变成倒扣的脸盆状，深宽比减少，气孔数量也随之减少。

关键词：激光焊 外环功率 摆动振幅 气孔数量

1 前言

随着乘用车电池行业的发展，对激光焊也提出了的更高的要求。[1-4]尤其是模组的制作更是把减少飞溅和气孔作为首要目标。在此基础上多模环形光斑应运而生。多模环型光斑激光器的原理就是在多模激光器的基础上增加外环功率，外环功率可以起到扩张熔池直径的作用，因此更有利于熔池中气孔的溢出。

目前，国内外一些学者对激光焊抑制气孔的方法进行了深入的研究。陶武等人结合目前生产现状对铝合金激光焊未来的发展和应用进行了分析。[5]宋凡等人通过实验得出，改变焊接速度、离焦量和增加摆动振幅可以减少焊接时气孔的产生。[6]崔辉等人通过对Q345钢的激光焊接实验得出大的光斑直径可以减少气孔的产生。[7]黄立进等人通过建立模型模拟激光焊铝合金匙孔形成与坍塌的机理，得出气泡形成的主要因素是匙孔坍塌形成气泡和气泡被凝固界面捕获。[8]李庆等人通过实验研究了工艺参数对气孔的影响，实验表明降低激光功率和增加焊接速度会降低气孔的体积。[9]然而并没有对多模环形光斑的外环功率是否对气孔有影响进行研究，本文将通过DOE全因子实验的方式，研究外环功率和摆动振幅对激光焊接气孔数量的影响。

2 实验方法

2.1 实验设备

整套实验设备由通快激光器、通快振镜、三维工作台和PLC控制器等组成。其中多模环型光斑激光器，芯环功率为4000+4000w。激光波长为1070nm，由内环芯径50um和外环芯径200um的光纤连接到振镜头，振镜头放大倍数为2倍，聚焦后焦点处内环光斑直径为0.16mm，外环直径为0.65mm。振镜的摆动方式为圆形摆动，摆动振幅为0-0.8mm，摆动频率为0-200Hz。由于振镜是通过电机控制内部多个镜片转动实现摆动焊接的，因此非圆形摆动在正弦波形顶点处会出现焊接速度降低，而熔深过深的情况，例如正弦摆动方式。因此本实验采用圆形摆动的方式。

2.2 实验材料

实验材料选用1060铝合金，上板尺寸为15mm×10mm×1mm，下板尺寸为15mm×10mm×6mm，实验焊接轨迹是直径为6mm的圆。焊接前先对工件表面进行脱脂处理，祛除油污和杂质，目的是减小对焊接质量的影响，然后将被焊工件固定在夹具上。

本实验采用2因子+2水平+3个中心点的全因子实验，共7组正交实验，通过minitab软件模拟出对气孔率影响最大的主要因子。因子为外环功率P（0-2000w）和摆动振幅a（0.5-0.8mm），固定内环功率F为1500w，离焦量0，输出因子气孔个数d、有效熔深b和表面熔宽c，实验参数见表1。在实验过程中采用焦点处焊接（离焦量为0），保护气体为氮气，焊接轨迹和摆动轨迹为圆形，频率100Hz，焊接速度为80mm/s。有效熔深范围0.9-1.2mm。

将焊接成型后的工件用高精密切割机切开，横截面经过抛光、镶嵌和研磨后，用体式显微镜观察焊接横截面形貌，计算有效熔深尺寸和气孔数量。横截面形貌尺寸如下图1所示。由于多模光激光器是多个高斯光结合而成的，所以光斑模型不是典型的高斯光，而是类似一个倒扣的杯子如图2，w1为表面熔宽，w2为有效熔宽，h为整体熔深，气孔数量是测量整体熔深h范围内气孔的数量。

3 实验结果与分析

3.1 外环功率对熔深、熔宽和气孔数的影响

在中心功率1500w、焊接速度80mm/s固定的情况下，随着外环功率的增加，焊缝处气孔数量明显减少，熔深和熔宽也随之增加。外环功率对气孔率的影响如图3所示。如下表2所示，当外环功率增加到最大2000w时，熔深也随之增大，并超过熔深允许的最大值1.2mm，所以只能减小外环功率。外环功率为1500w时，熔深正好在0.8-1.2mm范围内。如果减小内环功率，增加外环功率，使外环功率大于内环功率，熔深将急剧减小，低于要求范围。这是因为外环光斑大，功率密度低，无法达到使金属瞬间气化达到焊接状态的阈值，只能起到焊接前预热的辅助作用，所以当外内外环功率为1﹕1时达到最佳焊接效果。

环形光斑是如何抑制气孔的呢？首先要了解激光焊气孔产生的机理。如图4所示，当激光束照射匙孔时，一部分能量被吸收后产生局部蒸发，熔池里形成顺时针漩涡流，熔池中液态金属具有向前运动的趋势，在匙孔后壁形成了大的凸起。在顺时针漩涡流的作用下，凸起继续向匙孔前壁处流动，匙孔后壁与前壁接触形成液桥而导致匙孔坍塌，将空气包裹而形成气泡。[3]外环功率主要起到焊前预热和焊后缓冷的作用，同时也能扩大焊接匙孔，减少孔壁坍塌而减少气孔的产生。由于匙孔扩大，表面熔宽和有效熔宽都会增大。

3.2 摆动振幅对熔深、熔宽和气孔数的影响

从表2和图3可以看出，在中心功率1500w、焊接速度80mm/s固定的情况下，随着振幅的增加，熔深减小而熔宽增大；振幅由0.5mm增大到0.8mm时，深宽比逐渐减小，气孔数量也有所减小。在振幅0.8mm时气孔数最少。随着摆动振幅的增大，熔深的边缘变得陡峭底部变平，由倒扣的杯子状变成脸盆状。以此还可以得出结论，深宽比减小时，气孔数量减少。

摆动轨迹为圆形轨迹，可以将其扫描的圆环看作是一个直径为a+d的圆形光斑，则摆动幅度为a的圆光斑内激光平均功率密度Eav-a为：

摆动圆光斑内的平均功率密度Eav-a与未摆动光斑内的平均功率密度Eav之间的比例系数C为：

式中：Eav为光斑直径为d时光斑内的平均功率密度；a为激光摆动振幅，即激光摆动的直径。[10]

由上式可知，激光功率不变的情况下，摆动振幅增加平均功率降低，单位时间内的能量输入降低。对于熔池而言，相当于同样的能量将熔池加宽而深度降低。由以上可知，摆动振幅的增加实际上可以理解为将多模环形光斑激光器的光斑直接增大，从而使的功率密度降低，整个光斑直径范围内的功率密度较均匀。在摆动的过程中，增加了熔池的流动性，使熔池由倒扣的杯子状变成了脸盆状，深宽比降低，气孔数量减少。

4 结论

（1）多模环形光斑焊接铝合金时，外环功率的大小是气孔数量的最主要影响因素，随着外环功率增大，熔池里的气孔明显减少，当内外环功率1：1时，熔深满足要求，气孔数量最优。

（2）激光的摆动增加了熔池的流动，同时也增加了熔宽，减少了熔深，使深宽比降低。焊缝由倒扣的杯子状变成倒扣的脸盆状，气孔数量减少。

（3）深宽比小，更有利气孔的溢出。随着熔宽增大和熔深减小，熔池内壁粘连的情况越来越少，无法将气体包裹住，所以气孔数量减少。

参考文献：

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