周金旭，賈永強，李強，張威，林相遠

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧陽 111003

1 序言

鋁合金因其密度低、比強度高、焊接性能良好及回收利用率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道車輛、汽車制造等領(lǐng)域[1]，但是在TIG、MIG焊接鋁合金過程中會產(chǎn)生較大的焊接變形和接頭軟化問題，大大降低了焊接結(jié)構(gòu)的精度及質(zhì)量。激光焊接與傳統(tǒng)TIG、MIG焊相比能量更為集中，具有更低的熱輸入及變形，因此鋁合金激光焊接受到廣泛關(guān)注。激光填絲焊是在激光焊基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其優(yōu)點是對裝配間隙容忍度更高，同時可以改善焊縫的合金成分，提高焊接質(zhì)量[2]。本文針對1.5mm厚6061鋁合金型材進行激光填絲焊，研究了焊接參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響，并對接頭進行了拉伸、硬度測試，分析了接頭不同位置的微觀組織。

2 試驗材料及方法

試驗?zāi)覆臑?061鋁合金型材，T6態(tài)，型材截面如圖1a所示，試板尺寸為300mm×150mm×2mm。填充材料為E R4047焊絲、φ1.2m m。保護氣體為A r，純度＞99.99%，母材和焊絲化學(xué)成分見表1，母材平均抗拉強度為312MPa，屈服強度為276.5MPa，斷后伸長率為11.34%。

焊接采用了TRUDISK8002激光器，激光通過φ200μm的光纖進行傳輸，KUKAKR90工業(yè)機器人作為機械傳動系統(tǒng)及Fronius VR7000送絲機構(gòu)，焊縫采用對接不開坡口，焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動鋼絲刷打磨焊縫及其兩側(cè)25mm區(qū)域內(nèi)氧化膜至露出金屬光澤，并用酒精對待焊部位進行清理。焊接過程如圖1b所示。

圖1 型材截面及焊接過程

表1 6061鋁合金和ER4047焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊縫成形情況

激光填絲焊接過程中涉及的主要焊接參數(shù)有離焦量、焊接速度、送絲速度與激光功率等。本試驗過程中離焦量為0、焊接速度為3m/min等參數(shù)保持不變，研究了激光功率、送絲速度、激光入射角度對焊縫成形的影響[3]。

（1）激光功率對焊縫成形的影響 隨著激光功率的變化，焊縫熔深、熔寬及余高發(fā)生了明顯變化，圖2所示為不同激光功率焊接下的焊縫外觀及截面形貌[4]，激光入射角90°，送絲速度3.5m/min。從焊縫外觀及截面形貌可知，當(dāng)激光功率由4kW增加到5.5kW時，焊縫余高逐漸減小，熔深增加，背部熔透增大，熔寬增大。當(dāng)激光功率過大時將引起焊縫塌陷[5]。激光功率的增加直接加大了焊接熱輸入，適當(dāng)?shù)暮附訜彷斎肟梢允固畛浣饘倥c熔池鋪展開，增加了熔寬及熔深，減小了焊縫余高，因此合適的激光功率將會得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

（2）送絲速度對焊縫成形的影響 圖3為不同送絲速度下焊縫外觀及截面形貌[6]，送絲速度分別為3.5m/min、4.5m/min、5.5m/min，激光功率3.5kW，激光入射角90°。從圖3中明顯可以看出，當(dāng)送絲速度增加時焊縫熔深減小，當(dāng)焊接接頭處在熔透的臨界狀態(tài)時送絲速度的增加將導(dǎo)致接頭熔深減小，原因是冷絲的加入需要熔化的熱量大于吸收的熱量，熔池單位體積熱量減少，將會引起焊縫未熔透，不能實現(xiàn)單面焊雙面成形。

圖2 不同激光功率焊縫外觀及截面形貌

（3）激光入射角對焊縫成形的影響 在鋁合金型材焊接過程中，激光入射角對焊縫質(zhì)量有很大影響，圖4為不同激光入射角焊接，功率4kW，送絲速度3.5m/min，焊接入射角分別為60°、90°、120°，圖5為不同入射角焊縫外觀及截面形貌。從圖5a可以看出，當(dāng)激光束入射角為60°時焊縫熔深更大，更容易被焊透，原因是入射角為60°時激光束對型材薄板側(cè)作用更大，激光束可以直接將薄板一側(cè)焊透形成匙孔，且匙孔更為穩(wěn)定。當(dāng)光束入射角為120°時，激光束更直接地作用于立筋厚板處，吸收了更多能量，焊接接頭實現(xiàn)單面焊雙面成形相對困難，立筋熔深更大，同時激光功率過大將導(dǎo)致立筋處焊穿（見圖5f）。當(dāng)激光入射角為90°時焊縫成形較好（見圖5d），實現(xiàn)了單面焊雙面成形。

圖4 激光束不同入射角度焊接

圖5 不同激光入射角焊縫外觀及截面形貌

3.2 拉伸性能分析

當(dāng)激光功率為4.0kW、送絲速度為3.5m/min、焊接入射角為90°時，焊縫成形良好，對焊接接頭進行力學(xué)性能試驗。根據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行拉伸試樣的制備，焊后使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗機對焊接接頭進行橫向拉伸破壞性試驗，結(jié)果見表2。拉伸斷裂試樣如圖6所示，焊接接頭的平均抗拉強度為276MPa，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)[7]，焊接接頭的抗拉強度達到母材抗拉強度的88%[8]。

表2 拉伸試驗結(jié)果

圖6 焊接接頭拉伸斷裂試樣

3.3 接頭硬度

使用FV-810 型維氏顯微硬度計沿焊接接頭中心進行硬度測試，測試點間距0.5mm，測試點從母材一側(cè)經(jīng)過熱影響區(qū)、焊縫區(qū)至焊縫另一側(cè)母材[9]。對焊接接頭進行硬度分析發(fā)現(xiàn)，焊接接頭硬度最低處出現(xiàn)在接頭熱影響區(qū)，硬度值為68.2HV，熱影響區(qū)硬度在68~95HV之間，這與拉伸斷裂位置一致，說明熱影響區(qū)存在軟化，從硬度分布（見圖7）可以發(fā)現(xiàn)，單側(cè)熱影響區(qū)寬度為4~5mm。

3.4 焊接接頭金相組織

使用蔡司M2m光學(xué)顯微鏡對焊接接頭不同位置進行金相觀察，圖8a為母材金相組織，從中可以看出母材組織較為粗大。圖8b、圖8c分別為熔合線及焊縫組織，分析發(fā)現(xiàn)焊縫組織為細小的樹枝晶，熔合線靠近焊縫一側(cè)為粗大的柱狀晶，由熱影響區(qū)一側(cè)向焊縫中心伸展，靠近熱影響區(qū)側(cè)則存在細小的等軸晶，原因是靠近熱影響區(qū)側(cè)母材與填充材料成分不同，熔化過程中發(fā)生冶金反應(yīng)，化學(xué)成分發(fā)生改變，過冷度更大，形核質(zhì)點增加，形核速度更快，晶粒更為細小。

圖8 焊接接頭顯微組織

4 結(jié)束語

1）增大激光功率后，焊縫熔深隨之增加，余高減小，背部熔透較大，過大的激光功率將導(dǎo)致焊縫塌陷。當(dāng)焊接接頭處在熔透的臨界狀態(tài)時，送絲速度的增加將導(dǎo)致接頭未焊透。激光入射角在鋁合金型材焊接過程中對焊縫質(zhì)量有一定影響，入射角為90°時接頭質(zhì)量較高。

2）試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)，平均抗拉強度達到276MPa，達到母材抗拉強度的88%。

3）從金相組織可以看出，母材組織較為粗大，焊縫組織為細小的樹枝晶，熔合線靠近母材一側(cè)為粗大的柱狀樹枝晶，靠近熱影響區(qū)存在細小的等軸晶。

4）焊接接頭硬度最低處出現(xiàn)在接頭熱影響區(qū)，硬度值為68.2HV，單側(cè)熱影響區(qū)寬度為4~5mm。