Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接对铝合金焊缝组织和性能的影响

曹忠民，刘笑笑，李宏策

Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接对铝合金焊缝组织和性能的影响

曹忠民，刘笑笑，李宏策

（湖南机电职业技术学院，长沙 410000）

提高铝合金的焊缝抗拉强度，解决铝合金焊接过程中的裂纹缺陷。采用脉冲Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接铝合金，先用Nd：YAG激光形成焊接熔池，然后用半导体激光对熔池进行加热保温，获得无裂纹的焊缝，并对焊缝进行抗拉强度测试。与单独的Nd：YAG激光焊接相比，Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接的铝合金焊缝抗拉强度提高了50%，达到193 MPa，为母材抗拉强度的90%。2束激光的结合延长了熔池的冷却凝固时间，从而有效避免了热裂纹，减少了焊接缺陷，提高了焊接质量。

半导体激光；Nd：YAG激光；铝合金；激光焊接

激光焊接具有生产高率、焊接质量好、焊接速度快、焊缝深宽比大、热输入低、变形小、制造灵活、易于实现自动化等优点，在材料焊接领域的应用越来越多[1-7]。激光焊接有脉冲焊接和连续焊接2种方式，与连续激光焊接相比，脉冲激光焊接的热输入相对较少，焊接后产品形变也较小，更适合薄板材料的精密焊接[8-10]。其中Nd：YAG激光器是一种传统的激光器，具有结构简单、功率稳定性好、使用成本低等优势[11-12]，在实际生产中得到了广泛应用。半导体激光器一般为连续激光器（连续出光），具有电光转换效率高的优势[13-14]，在材料加工领域有极大优势。

铝合金由于热膨胀系数高、凝固温度范围宽，在熔焊过程中容易产生热裂纹[15-18]。铝合金对凝固裂纹的敏感性受焊缝金属成分、焊接工艺参数等因素的影响，较高的凝固速率会增加裂纹产生的概率。Hassan等[19]采用Nd：YAG和CO2复合的激光束对铝合金进行焊接，对热学模型进行了研究，发现增加CO2辅助加热后，熔池降温的速率降低，有利于得到无裂纹的焊缝。铝合金对CO2激光（波长为10 μm左右）的吸收率较低，低于3%，而且CO2激光的光束无法通过光纤传输，很难实现自动化生产。半导体激光的波长为800～1 100 nm，铝合金对半导体激光的吸收率较高，为30%左右，半导体激光的光束可以利用光纤进行传输，和Nd：YAG一样，可以很好地实现自动化生产。截至目前，未见有采用Nd：YAG激光和半导体激光复合的焊接方法对6061铝合金进行焊接的报道出现。

文中先采用Nd：YAG激光焊接铝合金，后用半导体激光对焊缝进行加热，这种方式降低了焊缝的冷却速度，减少了铝合金的焊接热裂纹，提高了焊缝的抗拉强度，可以为实际生产提供一定的技术参考。

1 试验

1.1 材料

试验材料为厚度0.5 mm的6061铝合金，其化学成分如表1所示。将材料切割成200 mm×100 mm的板材。由于铝合金表面容易产生致密的高熔点氧化铝薄膜，需要用砂纸对其打磨，以去掉氧化层，然后用酒精、水清洗干净备用。焊接方式为拼接，采用自制工装夹具将待焊工件夹紧。6061铝合金母材的抗拉强度为205 MPa，焊缝的抗拉强度需要达到母材的90%以上，才能满足实际生产要求。

表1 6061铝合金的化学成分

Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy wt.%

1.2 设备

使用脉冲Nd：YAG激光和连续半导体激光复合焊接6061铝合金。先利用Nd：YAG激光对材料进行焊接，形成焊缝，再利用半导体激光对焊缝进行持续加热，焊点实验平台如图1所示。脉冲Nd：YAG激光器的聚焦光斑直径为400 μm，最大平均功率为500 W，峰值功率为8 000 W，脉冲宽度为0.2～50 ms，脉冲频率为1～500 Hz，激光波长为1 064 nm。半导体激光器的聚焦光斑直径约为3 mm，最大平均功率为1 000 W，波长为915 nm。将Nd：YAG激光器和半导体激光器的加工头固定在一起，在/直线模组的带动下，利用激光束对工件进行加热焊接形成焊缝。

图1 焊点实验平台

1.3 焊缝抗拉强度测试

将焊接试样切割成标准试样，如图2a所示，将试样两端夹住，测试焊缝的拉力。采用广东威邦仪器科技股份有限公司生产的电子万能材料试验机（型号为WBE–9909）对焊缝进行拉力测试，试验机的最大拉力值为200 kN，拉力测试仪器如图2b所示。焊缝的抗拉强度=拉力值/焊缝面积，其中焊缝面积=焊缝宽度×焊缝长度。为确保数据的准确性，每次测试3个样品，取其平均值。

图2 焊缝抗拉强度测试

2 试验过程及结果分析

2.1 激光焊接工艺试验

影响Nd：YAG激光焊接效果的主要工艺参数为峰值功率、脉冲时间、激光频率、焊接速度，对这4个工艺参数进行四因素四水平正交试验，共设计了16组试验如表2所示。采用拉力机对焊缝进行抗拉强度测试，以得到焊缝抗拉强度最大时的焊接工艺参数。Nd：YAG激光焊接的最佳工艺参数如下：峰值功率为3 000 W，脉冲宽度为5 ms，频率为20 Hz，焊接速度为5 mm/s。此时6061铝合金的焊缝抗拉强度达到最大的105 MPa，但是该值只有母材抗拉强度的50%左右（6061铝合金母材的抗拉强度为205 MPa），这是因为焊缝内部裂纹的存在，降低了焊缝的抗拉强度。在Nd：YAG激光焊接最佳工艺参数的基础上，加入半导体激光进行复合焊接，保持焊接速度5 mm/s不变。对半导体激光焊接功率进行单因素优化试验，在Nd：YAG激光焊接工艺参数为峰值功率3 000 W、脉冲宽度5 ms、频率20 Hz、焊接速度5 mm/s的条件下，当半导体激光焊接功率为500 W时，焊缝抗拉强度达到最大的193 MPa，达到了母材抗拉强度的90%，此时焊缝内部无裂纹等缺陷，焊缝抗拉强度比单独采用Nd：YAG激光焊接得到的抗拉强度提高了40%，达到了实际生产要求，且抗拉强度优于杨得帅[20]的研究结果（6061铝合金激光焊接接头的抗拉强度为158 MPa，约为母材的51.5%）。

表2 正交试验结果

Tab.2 Results of orthogonal experiment

图3a为采用Nd：YAG激光焊接6061铝合金的焊缝外观图。可以发现，当采用峰值功率为3 000 W、脉冲宽度为5 ms、频率为20 Hz、焊接速度为5 mm/s的工艺参数焊接时，焊缝呈现鱼鳞纹状态，表面有明显的裂纹存在，这可能是因为在Nd：YAG激光焊接过程中，焊缝由多个焊点叠加组成，在每个焊点的形成过程中，焊点周围温度梯度较大，在熔池凝固过程中容易产生热裂纹。图3b为Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接的效果。保持Nd：YAG激光焊接的参数不变，当半导体激光器的功率设置为500 W时，焊缝表面依然呈现鱼鳞纹状态，焊缝表面未见有裂纹产生。这可能是因为半导体激光焊接为连续出光焊接，熔池在焊缝方向均匀推进，且焊缝的温度梯度较小，在熔池冷却凝固过程中不容易产生热裂纹。

图3 焊接外观图

2.2 焊缝内部结构分析

对焊缝进行切片分析，观测焊缝内部状态。图4a为采用Nd：YAG激光焊接6061铝合金的焊缝内部切片，可以发现，当工艺参数为峰值功率3 000 W、脉冲宽度5 ms、频率20 Hz、焊接速度5 mm/s时，焊缝内部有明显的裂纹产生。图4b为Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接的切片，可以发现，在Nd：YAG激光器的参数保持不变、半导体激光器的功率设置为500 W的情况下，焊缝内部未见有裂纹产生。这可能是因为半导体激光对焊缝有持续加热作用，降低了焊缝的冷却速率，延长了熔池的凝固时间，减少和消除了凝固裂纹。

图4 焊缝切片

2.3 焊缝微观结构分析

图5a为Nd：YAG激光焊接焊缝中心区域的显微组织，可以发现，组织为等轴晶，晶粒比较细小。图5b为Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接焊缝中心区域的显微组织，可以发现，组织也为等轴晶，与图5a相比，该区域晶粒明显增大，这是因为采用半导体激光对焊缝持续加热，降低了熔池冷却凝固的速度，使等轴晶有充分的时间进行长大。图5c为Nd：YAG激光焊接熔合区的显微组织，可以发现，组织为柱状晶。图5d为Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接熔合区的显微组织，可以发现，组织为柱状晶，与图5c相比，该区域晶粒明显增大，说明半导体激光对焊缝的持续加热，降低了熔池冷却凝固的速度，也使柱状晶有充分的时间进行长大，显微组织晶粒随之变大。Nd：YAG激光焊接采用了脉冲激光方式，即整个焊接过程为时断时续的加热过程，这使焊缝中心区域的等轴晶以及熔合区的柱状晶晶粒均较小，而且焊缝金属受到应力的反复作用，这容易使焊缝中薄弱的低熔点共晶区域被拉开，产生结晶热裂纹，会降低铝合金焊缝接头的抗拉强度。Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接可以降低熔池的凝固速度，使焊缝中心区域的等轴晶以及熔合区的柱状晶晶粒均变大，同时没有对焊缝金属施加反复的应力作用，因此避免了结晶热裂纹的产生，有利于提高焊缝的力学性能。

图5 焊缝显微组织形貌

2.4 焊缝显微硬度分析

采用显微硬度仪分别对Nd：YAG激光焊接焊缝以及Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接焊缝的硬度进行测试分析，其结果如图6所示。可以发现，从焊缝中心到母材，硬度逐渐增加，焊缝中心处硬度最低，铝合金母材的硬度最高，这是因为在激光焊接过程中，激光产生的热量对母材进行了热处理并产生了强化作用，而焊缝中心以及热影响区存在“过时效”软化现象，这会使硬度降低。

图6 焊接接头显微硬度分布图

Nd：YAG激光焊接焊缝显微硬度平均值为80HV，最小值约为70HV，相对高于Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接焊缝的硬度（平均值为70HV，最小值约为60HV），这是因为在一定速度下，当Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接时，作用在材料上的激光能量相对较多，热输入较大，这容易引起强化作用消失，从而导致硬度降低。

2.5 断口形貌及元素分析

对Nd：YAG激光焊接焊缝以及Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接焊缝的拉伸断口形貌进行测试分析，结果如图7所示。图7a为Nd：YAG激光焊接焊缝的断口形貌，由图7a可知，断口中韧窝数量较多，而韧窝尺寸相对较小，这是因为焊接接头的塑性较差，表现出脆性断裂的特征，焊缝的抗拉强度较低。图7b为Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接焊缝的断口形貌，由图7b可知，断口处的韧窝数量较少，韧窝的尺寸相对较大，而且韧窝的深度较深，表现为韧性断裂的特征，与母材的断口形貌基本一致。这是因为Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接焊缝中心区域的等轴晶以及熔合区的柱状晶晶粒均较大，使焊缝结晶度得到强化，有利于焊缝抗拉强度的提高。

图7 焊缝拉伸断口形貌

对断口断裂位置的元素成分进行分析，其元素含量如表3所示。可以看出，Nd：YAG激光焊接焊缝断口处的元素除了基材本身元素（Al、Mg、Si、Fe、Ti）之外，还有大量的O元素存在，说明断口处有含氧量较高的化合物，这些氧化物形成了焊缝微裂纹，在抗拉强度测试过程中，裂纹首先从这些氧化物所在的位置形成，并扩展直至断裂，使焊缝的抗拉强度相对较小。Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接焊缝断口处的O元素含量明显降低，这是因为半导体激光器的加入，增加了热输入，降低了材料熔化和焊缝凝固的速度，使大量O元素有足够的时间从熔池中溢出，减少了焊缝中氧化物的存在，降低了焊缝裂纹，有利于提高焊缝的抗拉强度。

表3 断口处的元素含量

Tab.3 Proportion of elements at the fracture wt.%

3 结论

1）Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接的铝合金焊缝抗拉强度可达193 MPa，超过了母材的90%，焊缝内部无裂纹等缺陷，焊缝抗拉强度比单独采用Nd：YAG激光焊接的提高了40%，达到了实际生产要求。

2）Nd：YAG激光与半导体激光复合焊接熔合区的显微组织为柱状晶，相比于Nd：YAG激光焊接的熔合区，晶粒明显增大，说明半导体激光对焊缝的持续加热，降低了熔池冷却凝固的速度，减小了凝固过程中熔合区组织中的应力，同时使熔合区的柱状晶有充分的时间进行长大，显微组织晶粒随之变大。

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Effects of Nd: YAG Laser and Diode Laser Hybrid Welding on Microstructure and Properties of Aluminium Alloy Laser Weld

CAO Zhong-min, LIU Xiao-xiao, LI Hong-ce

(Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha 410000, China)

The work aims to improve the tensile strength of aluminum alloy weld and solve the crack defect during welding of aluminum alloy. Pulsed Nd: YAG laser and diode laser hybrid welding was adopted to weld the aluminum alloy. First, the Nd: YAG laser was used to form a welding pool. Then, the pool was heated and kept warm by diode laser to obtain crack-free welds and test the tensile strength of the welds. The tensile strength of aluminium alloy weld left by pulsed Nd: YAG laser and diode laser hybrid welding was 50% higher than that of the single Nd: YAG laser welding, reached to 193 MPa, which was 90% of the tensile strength of the base metal.The combination of laser beam prolongs the cooling and solidification time of the molten pool, thus avoids the hot crack effectively, reduces the number of welding defects and improves the welding quality.

diode laser; Nd: YAG laser; aluminium alloy; laser welding

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.018

TG456.7

A

1674-6457(2022)08-0127-07

2021–09–28

曹忠民（1967—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为焊接技术及应用。

责任编辑：蒋红晨