[发明专利]一种基于光束整形改善铝合金激光焊接焊缝性能的工艺方法

说明书

本发明公开了一种基于光束整形技术的可调环模式(ARM)铝合金激光焊接工艺方法，属于激光焊接技术领域。该工艺针对铝合金激光深熔焊后焊缝接头软化及焊缝性能与母材性能差异较大的问题，采用基于光束整形技术的可调环模式(其中心光束及外部环形光束功率可单独调制)光纤激光器，通过控制不同部分的激光功率占比，对焊缝施加不同的局部热输入，改变焊缝中心到边缘的温度梯度，优化焊缝结晶条件，改善最终的焊缝凝固组织，进而可有效缓解铝合金激光焊带来的焊缝接头力学性能削弱问题。该工艺可实现铝合金焊缝接头性能与母材性能的高强度匹配，对促进铝合金激光焊接的应用与发展具有重要意义。

技术领域

本发明提出的一种基于光束整形改善铝合金激光焊接焊缝性能的工艺方法，属于铝合金激光焊接技术领域，适用于改善铝合金激光焊后焊缝接头软化及焊缝性能与母材性能差异较大的问题。

背景技术

铝合金作为一种综合性能优异的通用轻质合金，在机械制造、交通运输、航空航天等领域应用广泛。以往传统的铝合金焊接方式，如MIG、TIG、VPPAW等，均可在有效程度上提升铝合金的焊接质量。激光焊利用高强度的激光束与材料作用，相比传统的焊接方式，较大的深宽比、高效、小变形、小热影响区和非接触式等优点，使得激光焊已广泛应用于各行业铝合金焊接中。

由于铝合金对激光的高反射性，决定了其对铝合金较低的吸收率，且铝合金电离能较低，在激光焊接过程中极易产生金属蒸气/等离子体，进一步降低了铝合金对激光的吸收率；同时，较高的导热性使得熔池流动性强，焊接过程不稳定；较大的冷却速度导致焊缝凝固组织的不均匀，易产生接头软化等性能不均匀问题，严重影响铝合金激光焊接质量。

基于上述问题，采用激光振荡焊，外加能场辅助以及亚大气压环境等诸多方法用于铝合金激光焊都可取得一定的优化效果，但大都试验过程繁杂，实验条件苛刻。目前，基于光束整形技术，市面上已推出一种中心部分及外环部分光束功率比可单独调制的可调环模式(ARM)激光器，可用于不同材料不同厚度的连接。ARM激光器拥有两个独立的谐振器，可单独调制两种光束的功率分布，可有效降低高斯分布的激光光束中心到边缘的温度梯度，调控熔池流动状态，优化焊缝结晶条件，改善焊缝凝固组织形态，从而有效的缓解焊缝接头力学性能削弱的问题，减少焊缝与母材的性能差异。

目前，相关研究基础较为薄弱，铝合金激光焊后焊缝接头软化问题尚未得到较好的解决，一定程度上制约了铝合金激光焊接的应用于发展。

发明内容

鉴于背景技术的局限性，本发明提出了一种基于光束整形改善铝合金激光焊接焊缝性能的工艺方法，该工艺方法选择不同于常规激光器的可调环模式(ARM)激光器，通过调节其中心部分光束功率及环缝部分光束功率，获取成形良好的连续均匀焊道，并对其进行标准件的制备以及拉伸试验及维氏硬度试验的力学性能检测，论证该工艺方法对铝合金激光焊接接头软化问题的改善，可为铝合金激光焊接提供借鉴。

本发明的技术方案为：

一种基于光束整形改善铝合金激光焊接焊缝性能的工艺方法，焊缝母材选择4mm厚的5052铝合金，采用对接形式进行焊接；激光热源选择中心光束功率为0-4000W，环形光束功率为0-2000W的可调环模式(ARM)激光器，其中心光束和环形光束功率均可单独调制；光束离焦量为0mm，焦点位置中心光束光斑直径为150μm，外环形光束光斑直径为420μm；焊接速度为20mm/s；焊接过程中通以20L/min的纯氩气对焊缝进行保护。焊接完成后对焊缝进行标准拉伸试样件和硬度样件的切取制备，并按照对应的标准完成相关的拉伸试验和显微硬度试验。

进一步地，所采用的激光器为PAM高功率连续光纤激光器，其额定最大输出功率为6000W，其中外环形光束额定最大输出功率为2000W，中心光束额定最大输出功率为4000W，中心波长为1080nm，最大调制频率为5kHz，中心光束质量＜2.2mm×mrad，环形光束质量＜7mm×mrad。

进一步地，所述可调环模式(ARM)激光器通过两个独立的谐振器对环形光束和中心光束的功率分布进行单独调制。