铝合金AL3003的激光焊接工艺研究

吴晓红

（武汉职业技术学院电子信息工程学院，湖北武汉 430074）

目前，环境的污染以及石油危机越来越严重，汽车技术正经历着燃料多元化、动力电气化等重大技术变革。具有高效节能、低排放或零排放优势的电动汽车是解决环境危机以及石油危机的必然选择，因此受到世界各国的高度重视［1］。而新能源汽车开发的最大瓶颈是车载动力电池。动力电池的寿命、安全性等对新能源汽车的性能起到至关重要的作用，电池的外壳是动力电池至关重要的一个部件，起到封装的作用。

AL3003铝合金是铝锰合金系列材料，具有防锈性、成型好、熔接性、耐腐蚀性等优良特性，被广泛用于制备动力电池的外壳等。由于铝合金（AL3003）对激光反射率高，热传导性高，且在焊接过程中产生的光致等离子体对激光的屏蔽作用，激光焊接时，需要较大的激光功率密度。另外，铝合金内部其他的元素如猛、硅、锌、铜等元素与铝的熔点不一致，这些低熔点金属在加热过程中容易气化使得熔池中产生气孔，使得焊接过程中不稳定的因素增加。传统焊接动力电池铝合金外壳常采用YAG脉冲激光，王中林采用450W固体YAG激光器对0.6mm的AL3003进行了密封焊接试验［2］。王中林还针YAG激光器焊接效果进行了理论分析［3］。对于固体YAG激光器，焊接时具有焊接效率低，容易产生气孔、裂纹等缺陷。光纤激光是近几年发展起来的先进技术，光纤激光器比起传统的YAG脉冲激光器、CO2激光器，具有质量轻，光束好，能量转换高，维护简单等优点。本文主要采用500W光纤激光器对厚度为1mm的AL3003铝合金进行搭接焊研究 ，分析铝合金的光纤激光焊接特性及其主要影响因素，以控制和优化铝合金光纤激光焊接工艺。

1 试验条件和方法

焊接设备中的激光器采用IPG多模光纤激光器，如图1所示，工作台采用华工激光设计的四轴联动工作台，整体布置如图2。

图1 激光器

材料均为1mm厚度的AL3003铝合金，化学成分如表1。焊接完成后采用手持式电子显微镜（最大放大倍数为250倍）观察焊缝表面及背面外观情况。

图2 整体布局

表1 AL3003的化学成分（质量份数百分比）

2 试验结果分析

2.1 正交试验

在保持激光焊接功率不变的情况下（90%：445W），对焊接速度和离焦量两个参数进行正交试验，所取因素水平见表2，并分析其对焊接质量的影响。

表2 因素水平表

根据两因素三水平正交试验的设计原理，对表2的工艺参数进行搭配，共有六种组合方式。因此在平板上进行六组激光焊接试验，试验编号在表3中列出。

表3 正交试验结果及分析

2.2 焊接速度的影响

当速度为20mm／s时，只有在焦点处才能将1mm的铝合金（牌号为3003）完全焊透，在一定离焦情况下（正负离焦0.3mm）均无法焊透，如图3a所示，铝板背面无明显焊缝。当焊接速度为10mm／s时，在一定的离焦量范围内（正负0.3mm），均能焊透1mm的铝合金，如图3b所示，铝板背面有明显焊缝。这是因为在速度较快时，热量的累积不够，铝合金的表面对激光的吸收率本来降低，从而达不到焊透的效果。当速度较慢时（10mm／s），单位时间单位面积上激光的输入功率越大，并且热量的累积也越多，焊缝的熔深也较深。但是速度过慢又会导致材料过度熔化，焊缝过宽，热影响区过热，热裂纹倾向增大，因此当工件厚度一定时，存在一维持熔深、熔宽的最佳焊速［4］。

2.3 离焦量的影响

在铝合金激光焊接中，离焦量的变化对焊缝的表面成形和熔深都有很大的影响，研究表明，离焦量对焊缝成形的影响为抛物线趋势，存在最佳离焦量［5］。当离焦量为正0.3mm时，搭接缝隙后面只有轻微的痕迹，即熔深未全部达到1mm，此时的抗强度不是很高。当离焦量为0时（焦点位置），焊接过程中产生轻微飞溅，焊接后的焊缝会有高低不平等缺陷，如图4a、图4b所示（图4b为焊缝放大50倍外观图）。这可能是在焦点处激光能量密度太高，导致铝合金中的一些低熔点金属元素气化而导致的飞溅。当离焦量为负0.3mm时（激光焦点在工件表面的下面），熔深比正离焦时要深，焊接过程中无飞溅产生，焊缝表面无明显缺陷，很光滑，如图4b所示。当有一定的离焦量时，激光能量在聚焦光斑处分布较均匀，使得焊接过程相对稳定。随离焦量的负值增加熔深增大，其原因在于负离焦量时，小孔内的功率密度比工件表面的高，蒸发量更大，因而得到更大的熔深，在选择激光功率的同时必须要选择与其相应的离焦量，以保证获得光滑的焊缝表面成形［6］。

2.4 保护气体

激光焊接时需采用保护气体进行保护，其作用是排除空气中的氧气及氮气对焊接过程的影响，使焊缝免受污染。铝受热后容易与空气中的氧气发生反应产生熔点更高的氧化铝，使得焊接过程不稳定，铝还容易与氮气反应产生容易Al－N脆性相，同时易形成气孔等。另外，自离子化的金属母材蒸气，以及保护气体的电离均会在焊缝表面产生光致等离子体。等离子体浓度较低时吸收部分激光，然后热传递给铝合金，增加铝合金对激光的吸收进而增加熔池的深度。但是等离子体浓度较高时，会在激光与材料之间形成屏蔽层，阻碍材料对激光能量的吸收，同时还会改变光束聚焦形态 ，使激光束发生折射、偏转。这种情况下，焊缝的熔深会降低而且由于等离子体浓度的不稳定导致激光焊接过程不够稳定。激光焊接传统上采用Ar，N2，He 3种保护气体，理论上He最轻且电离能最高，最不容易产生光致等离子体，使用He气诱导小孔时，由于He气本身质轻而逸出，气孔形成机率小，因此熔深不够。采用混合气体如Ar－O2，N2－O2等气体保护效果较好［7］，但是混合气体中气体的比例需要大量实验摸索。综合考虑，采用Ar进行保护，调节保护气流与工件的距离、角度以及气流量大小来得到最佳焊接效果，结果表面，当气流与工件的距离为4 mm（气流的延长线在工件的交点与激光在工件上交点的距离），气流束与工件水平面夹角为45°时，气流量大小为1.0m3／h时，可以获得飞溅较少、表面成形良好且熔深较深的焊缝。

3 结 语

（1）采用光纤激光焊接工艺实现了AL3003铝合金的焊接。通过正交试验，速度为10mm／s以及离焦量为负0.3mm时得到焊缝外观良好，且熔深足够深的焊接效果。

（2）通过分析，焊接速度对焊缝熔深的影响最大，离焦量对焊接外观影响最大。

（3）采用Ar进行保护时，气流与工件距离4 mm，夹角45°，气流量大小为1.0m3／h时，焊接效果最好。

1 王少龙，侯明，王瑞山.动力电池的研究现状及发展趋势［J］.云南冶金，2010，39（2）：75－8.

2 王中林.AL3003动力电池外壳激光焊接密封试验［J］.激光杂志，2012，33（6）：65－66.

3 王中林.动力电池外壳激光焊接试验分析［J］.试验与研究，2012，41（7）：11－12

4 王希靖，片山圣二.不同铝合金在激光焊接时的熔化和蒸发特性［J］.焊接学报，1995，16（3）：31－33.

5 Zhuang Lei，Luo Yu.Study on laser welding of Al－Li alloy［R］.AWJT，2005.

6 戴景杰.铝合金激光焊接工艺特性研究［J］.电焊机，2010，40（3）：20－23

7 Wang Wei，Xu Guangying，Duan Aiqin，et al.Study on Porosity Formation Mechanism in Laser Welding 1420Al－Li Alloy［J］.AWJT＇2005：B43－B49.