随着国内市场对电动汽车需求的持续增长，纯电动汽车和燃料电池汽车将共同主导中国新能源汽车市场的未来发展。电动汽车的轻量化和电池的大量使用，必然涉及到越来越多的铝合金焊接工艺。铝合金具有良好的物理性能、化学性能和机械性能，是工业生产中一种重要的轻金属材料；传统的焊接工艺焊接速度慢、生产效率低，而且焊接热输入大，铝合金焊接变形明显，同时焊接接头处晶粒粗大，从而导致产品质量较差。而激光作为一种高能量密度的热源，具有较快的焊接速度和较小的热输入，焊接变形小，因此获得的产品质量也较为优异。
01
实验条件与方法
1.1 实验设备
采用飞博YDFL-2000/2000-PAM点环能量可调激光器、常规YDFL-3000-CW-MM激光器，二维扫描振镜、大理石三轴龙门焊接平台、JZX91熔深显微镜、金相磨抛机、金相切割机等；综合运用以上实验设备和工具，本文将具体测试PAM点环能量可调激光器对3系铝合金焊接气孔率的影响。
1.2 实验材料
3系铝合金具有良好的防锈性、成形性、焊接性、耐蚀性等特点，其中3003铝合金为AL-Mn系合金，通常用于新能源电池、动力电池等材料，本次实验采用3003铝合金材料进行激光焊接测试，焊接接头采用拼接的方式，将工件切割成100mm×60mm×3mm板材进行拼接焊。
3003 铝合金标准化学成分表
1.3 实验方法
在焊接前用丙酮溶液超声波清洗器对试样进行25分钟的清洗，以清除试样表面的油污等杂质，确保焊接工件表面干净。
焊后对表面焊缝成形质量进行检查，用线切割机床沿平行于焊缝方向切割金相试样，金相试样依次使用400#、600#和800#砂纸打磨焊缝横截面，然后使用FH氢氟酸水溶液对试样进行腐蚀，用焊缝测量软件测量焊缝截面气孔大小，计算出整条焊缝的气孔率。
采用飞博YDFL-2000/2000-PAM点环能量可调激光器在离焦量+1mm、加螺旋轨迹摆动焊接和直线轨迹焊接的条件下分别找出焊接熔深2.0mm的工艺参数，分别焊接一条长度为80mm的焊缝，然后沿焊缝水平方向一侧切开做金相，用焊缝测量软件测量焊缝气孔大小，计算出整条焊缝的气孔率。
用常规YDFL-3000-CW-MM激光器在离焦量+1mm、直线轨迹焊接的条件下找出焊接熔深2mm的工艺参数，焊接一条长度为80mm的焊缝，然后沿焊缝水平方向一侧切开做金相，用焊缝测量软件测量焊缝气孔大小，计算出整条焊缝的气孔率。
采用飞博YDFL-2000/2000-PAM点环能量可调激光器在离焦量+1mm、螺旋轨迹摆动焊接、熔深为2.0mm的工艺参数下焊接五组长度为80mm的焊缝，然后沿焊缝水平方向一侧切开做金相，用焊缝测量软件测量每条焊缝的气孔大小，计算出整条焊缝的气孔率，最后算出五条焊缝的平均气孔率。
02
实验结果与分析
2.1 不同组合焊接对铝合金焊缝气孔率的影响
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飞博PAM激光器+螺旋线摆动焊接（气孔率0.41%） |
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飞博PAM激光器无摆动焊接（气孔率0.75%） |
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常规激光器无摆动焊接（气孔率2.67%） |
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如上图所示，飞博PAM点环能量可调激光器相比于常规激光器焊接铝合金时能有效降低气孔率，再与螺旋线摆动相组合，可以将气孔率降至0.5%以内；从焊缝金相截面图可以看出飞博PAM点环能量可调激光器焊接的焊缝表面平整度、熔深一致性比常规激光器更加出色。
铝合金焊接接头产生的气孔种类主要是氢气孔以及部分匙孔塌陷形成的气穴：
氢气孔：铝合金在高温下表面极易形成氧化膜，氧化膜容易吸附环境中的水分；激光加热时，水分解产生氢，而氢在液态铝中的溶解度约为其在固态铝中溶解度的20倍，熔池内会溶入大量的氢，当激光离开时熔池温度迅速下降，这时氢的溶解度随温度降低急剧减小，就会有大量的氢溢出；但由于铝结晶速度较块，并且铝合金密度小，形成的气泡在熔池中受到的浮力较小，上浮速度慢，熔池结晶后，还会有许多气泡来不及浮出，滞留在焊缝中形成氢气孔。
匙孔塌陷：主要是由于小孔表面张力大于蒸气压力，不能维持稳定的匙孔，导致匙孔塌陷，液态金属来不及填充从而形成气穴。
飞博PAM点环能量可调激光器相比于常规激光器多了一路外环光束，焊接时可以起到材料表面预热、降低熔池凝固速度、形成一个稳定大熔池的作用，从而在焊接铝合金时对抑制飞溅、降低气孔率、防止裂纹、提高焊缝表面质量等效果显著。
采用飞博PAM点环能量可调激光器+螺旋线摆动相组合的焊接方式可以将气孔率降至很低，螺旋线轨迹焊接时可以对熔池进行搅拌，既可以使熔融金属分布均匀，也能让熔池凝固速度进一步降低，有足够的时间让氢从熔池中逸出，从而很大程度上降低气孔率。
2.2 PAM激光器+螺旋线摆动焊接
气孔率稳定性测试
如图所示，采用飞博PAM点环能量可调激光器+螺旋线摆动的组合焊接方式可以将气孔率控制在0.5%以内，从数据中可以看出每条焊缝气孔率相对比较稳定。
2.3 飞博PAM激光器与常规激光器
焊缝表面形貌对比
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PAM激光器 |
常规激光器 |
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如上图所示，PAM激光器相比于常规激光器焊接铝合金时，焊缝表面成型更好、焊缝光滑、均匀一致、无咬边等缺陷。
03
实验结论
采用激光焊接铝合金越来越普遍，从本次实验研究中可以发现：
（1）飞博PAM点环能量可调激光器相比于常规机器焊接铝合金时能有效降低气孔率。
（2）采用飞博PAM点环能量可调激光器+螺旋线组合的焊接方式，在焊接熔深2mm的条件下，可以将3系铝合金气孔率降至0.5%以内。
（3）飞博PAM点环能量可调激光器相比于常规激光器焊接表面质量更高、焊缝光滑、均匀一致、无缺陷。
激光焊接在铝合金焊接领域具有广阔的应用前景，随着技术的不断进步和应用范围的扩大，将会在工业生产中发挥更加重要的作用。
参考文献：
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