光束擺動軌跡對5052鋁合金激光焊接質(zhì)量的影響研究

   激光焊接技術(shù)憑借高效性、熱輸入集中、柔性優(yōu)良等顯著優(yōu)勢，已成為工業(yè)領(lǐng)域中高質(zhì)量連接技術(shù)的核心選擇。當(dāng)前，鋁合金激光焊接的應(yīng)用推廣主要受限于三方面因素：其一為鋁合金材料本身的焊接性及強塑性、耐蝕性等性能的提升；其二為激光焊接工藝研究與質(zhì)量評估體系的成熟度；其三為激光焊接設(shè)備的功能發(fā)展，包括激光器輸出形式及光束調(diào)控方式的多樣化等。常規(guī)鋁合金激光焊接易產(chǎn)生多種缺陷，如液態(tài)鋁表面張力較低導(dǎo)致小孔坍塌形成氣孔，Mg等低熔點合金元素易燒損造成焊縫性能弱化，且對焊縫間隙敏感易引發(fā)咬邊、偏焊等問題。

    激光擺動焊接通過優(yōu)化能量分布、改善熔池流動行為，可增加熔寬以提升間隙適應(yīng)性，并通過擴大中心等軸晶區(qū)改善焊縫力學(xué)性能。鑒于此，本文以2mm厚5052鋁合金為研究對象，系統(tǒng)探究不同光束擺動軌跡對焊縫熔深、熔寬及結(jié)合強度的影響規(guī)律，為鋁合金激光焊接工藝優(yōu)化提供理論與實踐依據(jù)。

    一：實驗設(shè)計與方法
    1.實驗材料與設(shè)備
    本研究以厚度為2mm的5052鋁合金板材為試驗對象，其規(guī)格為450mm×100mm×2mm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如下：Si0.23%、Cu0.06%、Mg2.58%、Zn0.08%、Mn0.07%、Cr0.29%、Fe0.32%，Al為余量。試驗前，板材經(jīng)化學(xué)除油處理后置于干燥箱中干燥備用。
    焊接試驗采用雙電機掃描擺動焊接頭，可精準(zhǔn)實現(xiàn)往復(fù)直線形（━）、圓環(huán)形（○）、無窮形（∞）三種軌跡擺動；適配光纖激光器輸出波長為1064nm（±10nm），額定功率3000W，通過芯徑0.1mm的光纖傳輸；焊接過程由六軸關(guān)節(jié)機器人執(zhí)行，其額定負載為60kg，定位精度滿足試驗要求。
    2.試驗方案
    為探究不同光束擺動軌跡對焊縫成形及質(zhì)量的影響，本研究采用控制變量法設(shè)計試驗矩陣：設(shè)置1試樣為往復(fù)直線形軌跡，2試樣為圓環(huán)形軌跡，3試樣為無窮形軌跡，三組試樣的擺動幅度均為2mm。經(jīng)前期參數(shù)優(yōu)化，固定焊接參數(shù)如下：焊接功率1200W，焊接速度12mm/s，離焦量0，激光噴嘴傾斜30°以保證最優(yōu)入射角度。每組軌跡焊接4個試樣，共計完成12次試驗以確保結(jié)果的客觀性。
    試驗后對試樣進行多維度分析：通過目視檢查評估焊縫外觀；經(jīng)鑲樣、預(yù)磨、精磨、NaOH溶液浸泡腐蝕（5min）及吹干處理后，采用視覺測量顯微鏡進行金相組織分析，記錄并計算每組試樣的平均熔深、熔寬及寬深比；采用微機控制電子式萬能試驗機進行拉力測試，評估焊縫結(jié)合強度。

    二分：實驗結(jié)果與分析
    1.焊縫外觀與成形質(zhì)量
    不同擺動軌跡下，焊縫外觀呈現(xiàn)顯著差異。往復(fù)直線形軌跡（1）的焊縫表面余高不均勻，熔池尾部收縮不規(guī)則，“匙孔”效應(yīng)突出，易形成尖銳弧度；無窮形軌跡（3）的焊縫兩側(cè)熱影響過渡區(qū)明顯，表面不平整且存在母材變形偏移；圓環(huán)形軌跡（2）的焊縫表面平整光滑，無飛濺、咬邊等缺陷，魚鱗紋細密且呈圓弧狀規(guī)則排布，整體成形質(zhì)量最優(yōu)。
    2.焊縫尺寸與寬深比
    基于金相分析結(jié)果，三組軌跡的焊縫尺寸特征如下：往復(fù)直線形軌跡的焊縫熔寬最大，因能量集中導(dǎo)致完全熔透且出現(xiàn)下塌現(xiàn)象，這是由于熔融金屬表面張力不足以承載自身重力所致；無窮形軌跡的焊縫熔深較大，但寬深比最低（1.59），表明其能量集中度高但分布不均，易引發(fā)母材變形；圓環(huán)形軌跡的焊縫熔深處于臨界熔透狀態(tài)，寬深比最高（1.93），顯示其能量分布更均勻，熱作用面積更大，可有效提升焊縫的間隙適應(yīng)性。
    3.能量分布與結(jié)合強度
    光束擺動通過延長掃描軌跡降低線能量密度，減緩溫度梯度，其中圓環(huán)形軌跡的能量分布均勻性優(yōu)勢最為顯著。均勻的能量輸入可減少熔池中Mg等低熔點元素的蒸發(fā)波動，避免因成分偏析導(dǎo)致的焊縫性能弱化。拉力測試結(jié)果表明，能量分布更均勻的圓環(huán)形軌跡焊縫，其結(jié)合強度顯著優(yōu)于其他兩種軌跡，進一步印證了能量均勻性對焊縫力學(xué)性能的積極影響。

    本研究通過系統(tǒng)探究往復(fù)直線形、圓環(huán)形、無窮形三種光束擺動軌跡對2mm厚5052鋁合金激光焊接質(zhì)量的影響，得出以下結(jié)論：
    1.圓環(huán)形擺動軌跡的焊縫外觀質(zhì)量最優(yōu)，表面平整光滑，魚鱗紋呈圓弧狀規(guī)則排布，無明顯焊接缺陷；
    2.圓環(huán)形軌跡的焊縫寬深比最高（1.93），能量分布均勻性最優(yōu)，賦予焊縫更優(yōu)良的間隙適應(yīng)性；
    3.均勻的能量輸入可有效改善熔池中金屬元素的蒸發(fā)波動，顯著提升焊縫結(jié)合強度。