摘要
研究了振荡振幅和频率对A5083铝合金板可调环模式(ARM)激光振荡焊接表面质量、宏观和微观组织以及气孔率的影响。结果表明，随着振动幅度和频率的增加，焊缝表面质量得到改善。随着振幅的增大，焊缝截面由“高脚杯”形状转变为“新月形”形状。显微组织分析表明，由于搅拌效果与冷却速率的降低相互竞争，焊缝的晶粒尺寸不随振荡幅度和频率的增加而减小。焊缝孔隙率随振荡参数的增大而减小，在振幅为2mm时，最终孔隙率为0.22%。三维x射线断层扫描进一步证实了振荡对孔隙分布的影响:大孔隙倾向于聚集在熔池后壁后，而小孔隙表现出更好对称性。为优化振荡参数以实现A5083铝合金应用中的高质量激光焊接提供了有价值的见解。

01 行业背景

铝合金具有重量轻、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，广泛应用于汽车、高铁、航空航天等行业。激光焊接具有效率高、热影响区小、焊接变形小等优点。因此，激光焊接是一种经济、适用于厚板的焊接方法，可大大减少焊道数。气孔是铝合金激光焊接中的一个明显缺陷，严重影响焊接接头的力学性能。因此，为了减少和消除孔隙的形成，已经进行了大量的研究，包括优化保护气体，应用双光束技术，利用调制激光功率系统，以及采用振荡光束方法。

激光振荡焊接技术以其将激光焊接的优点与自身的特点相结合的能力而脱颖而出。利用激光振荡焊接不仅可以减少气孔，而且可以改善焊缝的微观组织，提高焊缝质量。大量的研究主要是对激光振荡焊接的各个方面进行研究，包括气孔的降低、能量分布的优化、晶粒结构的细化以及熔池内熔体流动的表征。激光能量的分布对激光焊接的温度分布和熔深起着至关重要的作用。在一定的振荡幅度下，随着扫描频率的增加，焊接过程从深透焊过渡到不稳定焊，最终过渡到热传导焊。结果表明，提高扫描振幅和频率可以减小孔隙率，但也会大大降低焊缝的穿透深度，从而使焊缝的力学性能下降。

近年来开发了一种可调环模型(ARM)激光器，将激光能量分为高能量密度的芯和低能量密度的环，用于稳定锁孔和提高焊接质量。研究人员采用ARM激光振荡焊接在不同的芯/环功率比和振荡宽度下焊接6xxx高强度铝合金。实验结果表明，影响焊缝几何形状的主要因素是振荡宽度，而不是芯环功率比。然而，振荡和ARM激光叠加作用下的孔隙分布及其抑制机理尚未得到研究。本文采用一种新型的ARM激光振荡焊接技术，降低了焊缝的孔隙率，获得了更高的熔深和更好的焊缝质量。在不同振荡频率和振幅下，对激光能量分布、熔池动态行为和显微组织进行了全面研究。

02 实验目的及过程

采用圆形激光振荡焊接技术对铝合金进行了焊接。基材(BM)采用5083-O铝合金300mm × 100mm × 5mm(长×宽×厚)，化学成分如表所示。焊接前对试样进行抛光处理，消除表面氧化膜，然后用丙酮超声波清洗15 min，消除表面油污。

激光焊接系统主要由Kuka机器人、TruDisk 8001光盘激光器和3D PFO振镜扫描仪组成。采用TruDisk 8001圆盘激光器作为可调环模激光源，芯/环光纤比为100/400 μm，最大输出功率为8 kW(波长为1030 nm，光束质量参数为4.0 mm-rad)。激光束由核心部分和环部分组成，其中中心核心部分的激光产生了钥匙孔(60%的激光能量)，而环部分的激光保证了良好的温度分布(40%的激光能量)，如下图图 (b)所示。准直器和聚焦镜的焦距分别为138 mm和450 mm。

在焊接过程中，使用Phantom V1840高速摄像机和Cavilux高频光源对焊接过程进行实时监控，拍摄速度为5000 fps，曝光时间为1μs。本研究采用圆束振荡轨迹、激光运动路径和瞬时速度定义如下图所示。

03 结果与讨论

3.1 焊缝形貌特征

不同激光振荡模式下焊缝表面形貌如下图所示。结果表明，常规直线焊焊缝表面粗糙(粗糙度为78.01 μm)，焊缝波纹连续性差，焊缝扩散不够。还观察到焊缝成形不足、严重飞溅和凹切。随着振荡幅度和频率的增加，焊缝表面呈现密集而均匀的鱼鳞。振荡幅度0.5 mm、1mm、2mm焊缝表面粗糙度分别为80.71 μm、49.63 μm和31.12 μm。没有飞溅引起的不规则或凸起。结果表明振荡频率越高，熔池流动越有规律，激光束的搅拌作用越强，焊缝表面越理想。

从根本上说，激光焊缝的形状与激光束的运动有因果关系。在焊接过程中，振荡幅度和频率的改变改变了焊接速度，从而影响了激光的线能量密度和总热输入。焊缝截面形貌呈“高脚杯”状，由两部分组成，下部为“杯柄”，上部为“杯腹”。熔透深度和“杯杆”分别定义为H1和H2，焊缝(“杯腹”)和“杯杆”宽度分别定义为W1和W2。焊缝宽度W1和W2均随振荡幅度的增大而同步增大，焊缝形貌由“高脚杯”形逐渐转变为“新月形”形。

激光能量密度最大出现在轨迹重合处。对比下图图(b、d)和图 (c、e)可知，扫描频率的增加会增大沿扫描路径的轨迹重合面积，使激光能量分布更加均匀。然而，最大能量密度的减小会导致焊缝深度的减小。

3.2 熔池行为

为阐明扫描路径对熔池行为的影响，采用高速摄像系统对熔池和锁孔的演变过程进行了观察。下图图(a)示出了直线路径下熔池的演化过程。图(b-f)为不同振荡参数下熔池的演化图。随着振荡频率和振幅的增加，熔池后部由于熔池宽度的扩大而变得更加圆润。随着熔池长度的增加，锁孔喷发引起的表面波动在后向传播过程中减小。因此，熔化的液态金属在熔池后端平滑而有规律地凝固，形成均匀致密的焊缝鱼鳞。

下图显示了激光焊接过程中钥孔开口面积的变化，这是由熔池的高速摄影图像得出的。如图(a)所示，在直线焊接过程中，锁孔开口尺寸表现出明显的波动。观察到几个锁孔关闭(0 mm2)的实例，平均锁孔开放面积为0.47 mm2。振荡幅度的增加还可以减少波动，提高稳定性。这是因为振荡焊接中能量分配到两侧的比例较大。因此，锁孔上的出口膨胀，振荡幅度增大，从而增加了开口面积。振幅的增加扩大了激光束的搅拌范围，导致锁孔周期运动半径的扩大。由于熔融金属的粘性和作用于锁孔壁附近的流体动压力，在靠近锁孔开口的焊接熔池内发生涡流运动。钥匙孔开放面积的扩大加强了其稳定性，避免了气泡的形成，从而显著抑制了孔隙率。

3.3 微观组织

下图显示了不同振荡频率和振幅下焊缝截面的EBSD形貌。在激光焊缝熔合线附近，柱状枝晶晶粒向焊缝中心生长。如图(a)所示，在“杯腹”和“杯茎”区域之间，可以观察到明显的柱状颗粒分布差异。柱状晶粒沿“杯腹”壁呈u型分布，而在“杯茎”区，柱状晶粒沿熔合线呈u型分布。在焊缝凝固过程中，熔合区部分凝固的晶粒作为凝固前沿进行形核，并优先沿最大温度梯度方向垂直于熔池边界生长。这种现象的发生是由于激光的高功率密度，导致焊接池内部过热。较高的热梯度G和中等的生长速率R使得G/R大于组织转变的阈值，导致柱状晶粒的形成。焊缝中心温度梯度G减小，导致G/R比逐渐降至组织转变阈值以下，向等轴晶过渡。等轴晶粒均位于“杯腹”和“杯茎”的中心部位。由于焊缝的“杯茎”较窄且靠近基体，因此在冷却过程中，在“杯腹”区域之前完全凝固。凝固后的“杯茎”部分作为“杯腹”底部的成核部位，促进柱状晶粒向上生长。

下图显示了直线和振荡焊接过程所示，激光振荡焊接中激光束的位置不断变化，会增加中间熔池长度，使已经凝固的金属重新熔化，导致晶粒生长速率r降低。可导致下等轴晶区G/R的降低。

3.4 孔隙度分布

三维x射线断层扫描对焊缝进行了全面检查，获得了焊缝内气孔的三维分布，如下图所示。孔隙率的计算方法为气孔的总体积除以焊缝的总体积。通过对直线激光振荡焊和圆形激光振荡焊焊缝孔隙形态和分布的比较，发现直线激光振荡焊焊缝中含有较多的大体积孔隙，孔隙率为2.49%，显著高于圆形激光振荡焊焊缝。通过图(b、c)和图(d、e)的对比可以看出，增加振荡频率有助于抑制孔隙的形成。对比图(b、d)和图(c、e)可以看出，振荡幅度的增大对孔隙形成的抑制也有很大作用。当振荡幅度进一步增大到2mm时(图(f))，孔隙率进一步降低到0.22%，只剩下小体积和小孔隙。

下图描绘了距焊缝中心线不同距离处的孔隙面积分布，表示了基于孔隙面积大小的孔隙率。对于直线焊接，气孔面积沿焊缝中心线呈对称分布，随着离焊缝中心线距离的增加，气孔面积逐渐减小。结果表明，锁孔诱发的气孔主要集中在焊缝中心线熔池后壁后方。对于激光振荡焊接，孔分布的对称性变弱。

下图显示了距离焊缝表面不同距离处的孔隙面积，其中红线表示“杯腹”和“杯干”区域的边界。在大孔隙占主导地位的情况下(图(a-c))，边界以上的孔隙面积占85%以上。这是因为纵向边界处的轮廓过渡更容易捕获焊缝池中的气泡，并且捕获的气泡在浮力的影响下有向上迁移的趋势。在以小孔隙为主的情况下(图(d-f))，孔隙集中在边界线以下0.5 mm范围内的区域内。冷却时间短，向上位移小可能是造成这种现象的原因。

04 结论

(1) 不同的激光振荡模式对焊缝表面有明显的影响。较高的振幅和频率可以改善表面质量，而过大的振荡参数可能会增加粗糙度并产生凹形缺陷。

(2) 焊缝形状主要由激光振荡参数决定，通过影响焊接速度、能量分布和总热输入。随着振荡振幅的增大，焊缝形貌由“高脚杯”变为“新月形”，且深宽比减小。

(3) 振荡幅度和频率增大，熔池变宽，后部变圆。振荡作用使熔池长度增大，有利于气泡逸出和均匀凝固。在直线焊接过程中，锁孔开孔面积存在波动，相对而言，这种波动可以减小这种波动，提高焊接的稳定性。

(4) 提高振荡幅度和频率，热梯度和生长速率均降低，有利于大晶粒尺寸的形成。而激光搅拌作用有利于细化晶粒尺寸，提高织构强度。在不同激光参数下，焊缝硬度保持相对稳定，略低于母材，这可能是由于镁的蒸发损失造成的。

(5) 三维x射线层析成像表明，直线焊比振荡焊具有更高的孔隙率(2.49%)和更大的孔隙体积。增加振荡参数可以显著降低孔隙率，甚至在振幅为2mm时孔隙率为0.22%。孔面积分布随振荡而移动，大孔聚集在熔池后壁后，小孔的对称性较好。大孔隙主要分布在“杯腹”和“杯茎”区域边界上方，小孔隙则集中在边界下方。