(無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 宜興 214206)

5052鋁合金光纖激光焊工藝

余暕浩張家驊馬玉瑩

(無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 宜興 214206)

采用1 000 W單模光纖激光器對(duì)1 mm厚的5052鋁合金進(jìn)行焊接，對(duì)激光功率、焊接速度、離焦量三因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到最佳工藝參數(shù)為功率900 W，焊接速度100 mm/s,離焦量2 mm。對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉升試驗(yàn)，結(jié)果表明，最佳工藝參數(shù)條件下焊接強(qiáng)度達(dá)到282 MPa,達(dá)到母材強(qiáng)度的72%。進(jìn)一步對(duì)焊縫截面進(jìn)行分析，焊縫完全熔透、內(nèi)部無(wú)氣孔且無(wú)材料缺失的情況下，焊接接頭強(qiáng)度最高。

鋁合金光纖激光器焊接強(qiáng)度

0 序 言

5052鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性能好、力學(xué)性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、機(jī)械制造、五金及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)隨著工業(yè)制造不斷發(fā)展，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求越來(lái)越多，因?yàn)椴捎娩X合金焊接結(jié)構(gòu)件可以提高生產(chǎn)效率并且降低加工成本[3-4]。傳統(tǒng)的鋁合金焊接主要采用氬弧焊焊接工藝，這種焊接工藝生產(chǎn)效率低，而且焊接熱輸入大，使得鋁合金焊接變形和焊接接頭的熱影響區(qū)均較大，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度較低[5-9]。

激光焊是利用高能束聚焦激光對(duì)工件進(jìn)行焊接，具有熱影響范圍小、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，焊縫深寬比高及焊接接頭強(qiáng)度大，非常適用于鋁合金焊接[10-12]。激光焊被廣泛用于鋁合金焊接研究，如張智慧等人[13]對(duì)7A52鋁合金焊接接頭的性能進(jìn)行了研究。張大文等人[14]采用連續(xù)和脈沖兩種激光方式對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)研究。由于鋁合金對(duì)激光反射率高，需要高功率激光才能對(duì)其進(jìn)行焊接，當(dāng)激光功率高時(shí)，熱影響范圍大，在焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度低，目前激光焊接鋁合金接頭強(qiáng)度一般不超過(guò)母材的60%，仍然有很大的改善空間[15]。

文中利用單模光纖激光器光束質(zhì)量好及功率密度高的優(yōu)點(diǎn)對(duì)5052鋁合金進(jìn)行激光焊接工藝優(yōu)化試驗(yàn)，并對(duì)焊縫微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供工藝方法試驗(yàn)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

光纖激光器是把泵浦物質(zhì)摻入到光纖中，由半導(dǎo)體激光器發(fā)出特定波長(zhǎng)的激光，使光纖產(chǎn)生激光，光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到30%、功率穩(wěn)定、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合金屬材料的精密焊接。采用武漢銳科公司生產(chǎn)的1 000 W單模光纖激光器，平均功率1 000 W，中心波長(zhǎng)1 070 nm,光束質(zhì)量M2=1.3(其值越小，表明光束質(zhì)量越好，極限值為1.0)。由于單模激光器良好的光束質(zhì)量，光束分布呈高斯分布，聚焦光斑小，作用在材料上的功率密度高，可以得到深寬比大的焊縫，激光器外形如圖1a所示。激光焊接工作臺(tái)如圖1b所示，X/Y運(yùn)動(dòng)軸帶動(dòng)激光加工頭在平面上運(yùn)動(dòng)，完成焊接軌跡。

圖1 激光器及工作臺(tái)外觀圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為鋁合金，牌號(hào)5052，厚度為1.0 mm，長(zhǎng)×寬尺寸為100 mm×50 mm，材料化學(xué)成分見表1。采用拼接方式進(jìn)行焊接，焊接前清洗鋁合金表面及接頭處去除油污和氧化膜,采用工裝將待焊工件夾緊。

表1 5052鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)前期大量試驗(yàn)驗(yàn)證，影響焊接接頭強(qiáng)度的主要因素為激光功率、焊接速度、離焦量(激光焦點(diǎn)與工件表面的距離，焦點(diǎn)在工件表面上方為正離焦，焦點(diǎn)在工件下方為負(fù)離焦)。三者對(duì)焊縫熔深、焊縫寬度、焊縫外觀以及熱影響范圍均有直接的影響，三者同時(shí)作用將直接影響焊接接頭的強(qiáng)度。在前期預(yù)試驗(yàn)可行的基礎(chǔ)上，保持其他因素不變，對(duì)激光功率、焊接速度及離焦量三因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，所取試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。激光功率取800 W,900 W,1 000 W，焊接速度取80 mm/s,90 mm/s,100 mm/s,離焦量取1 mm,2 mm,3 mm。

表2 正交試驗(yàn)參數(shù)及接頭強(qiáng)度

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)參數(shù)及其對(duì)應(yīng)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度分析如表2所示，由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，工藝參數(shù)為激光功率900 W、焊接速度100 mm/s，離焦量2 mm時(shí)，能獲得最大抗拉強(qiáng)度 (282 MPa) ，達(dá)到母材的 72%(在同等條件下測(cè)得母材的抗拉強(qiáng)度為391 MPa)，該組工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。 表3為極差分析，表中K1,K2,K3分別表示激光功率、焊接速度、離焦量對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度之和，R為極差(評(píng)價(jià)指標(biāo)是焊接接頭的抗拉強(qiáng)度)。由表中極差分析結(jié)果可知，激光功率對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度的影響最大，其次是離焦量，影響最小的是焊接速度。

表3 極差分析

2.3 焊點(diǎn)外觀分析

工藝參數(shù)對(duì)鋁合金焊接效果影響很大，根據(jù)焊接外觀圖對(duì)典型的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析，圖2a中從左到右分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)編號(hào)為1,6,10的焊縫外觀圖，圖2b中從左到右分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)編號(hào)為1,6,10的焊縫背面圖。當(dāng)功率為800 W，焊接速度80 mm/s，離焦量為1 mm時(shí)，焊縫一致性較好，焊縫未完全焊透，可能導(dǎo)致接頭強(qiáng)度不高。當(dāng)功率為900 W，焊接速度100 mm/s，離焦量為2 mm時(shí)，焊縫一致性較好，無(wú)明顯缺陷，焊縫剛好焊透，此時(shí)焊接強(qiáng)度大。當(dāng)激光功率1 000 W，焊接速度100 mm/s,離焦量1 mm時(shí)，焊接外觀有缺口，可能功率較高，導(dǎo)致部分材料氣化，在焊縫表面形成缺口，導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度降低。

圖2 焊接接頭外觀

2.4 焊縫截面分析

采用線切割將焊接接頭中心切開，將切割的樣品鑲嵌，然后進(jìn)行打磨、拋光及化學(xué)腐蝕。采用金相顯微鏡對(duì)焊縫截面進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如圖3所示。其中圖3a～3c分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)編號(hào)為1,6,10的焊縫截面，由圖3a可知，當(dāng)激光功率為800 W，焊接速度80 mm/s，離焦量為1 mm時(shí)，焊縫未完全熔透，且呈現(xiàn)“上寬下窄”，可能是功率較小，焊縫下面的材料未充分熔化，這種效果焊接強(qiáng)度一般不高。圖3b對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)為激光功率900 W、焊接速度100 mm/s、離焦量2 mm，此時(shí)焊縫完全焊透，焊縫上下的寬度基本一致，焊縫內(nèi)部無(wú)明顯氣孔,無(wú)熱裂紋等缺陷出現(xiàn)，焊接接頭強(qiáng)度最大。圖3c對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)為1 000 W，焊接速度100 mm/s，離焦量1 mm,焊縫內(nèi)部有氣孔出現(xiàn)，且焊縫底部有材料缺失，這兩種情況均會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的強(qiáng)度降低。產(chǎn)生氣孔的原因可能是因?yàn)榧す夤β矢?，離焦量小，作用在材料表面的功率密度過(guò)高，導(dǎo)致材料內(nèi)部部分低熔點(diǎn)元素如Mn,Mg等材料氣化，在焊縫內(nèi)部留下氣孔。同時(shí)熱量輸入過(guò)多，導(dǎo)致熔池過(guò)燒，焊縫下面部分材料流失。

圖3 焊縫截面圖

3 結(jié) 論

(1)采用單模光纖激光器對(duì)5052鋁合金進(jìn)行焊接正交優(yōu)化試驗(yàn)，得到最大的激光焊接接頭強(qiáng)度282 MPa,為最佳工藝參數(shù)，即功率900 W，焊接速度100 mm/s，離焦量2 mm。

(2)通過(guò)對(duì)焊接接頭的截面進(jìn)行分析，在最佳工藝參數(shù)條件下，焊縫完全焊透，焊縫上、下的寬度基本一致，焊縫內(nèi)部無(wú)明顯氣孔、無(wú)熱裂紋等缺陷出現(xiàn)，且焊縫表面和背面無(wú)明顯材料缺失，保證了焊接接頭的強(qiáng)度。

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2017-04-26

TG456.7

余暕浩，1982年出生，碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)閺氖聶C(jī)電一體化技術(shù)，材料成型。