張群威，陳桂華

超薄鋁合金膠粘接及激光焊接工藝研究

張群威，陳桂華

（河南工業(yè)大學(xué)漯河工學(xué)院，河南 漯河 462000）

為了解決厚度為0.05 mm的鋁合金在激光焊接過程中，材料發(fā)生變形導(dǎo)致的焊穿或者虛焊問題。采用在下層鋁合金材料表面均勻涂覆粘膠劑，將上下2層鋁合金材料進(jìn)行預(yù)固定，然后采用激光焊接，形成焊縫。通過控制涂覆粘膠劑的次數(shù)，得到膠層厚度為11.2 μm，對(duì)涂覆粘膠劑的鋁合金進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)。當(dāng)激光平均功率為150 W，焊接速度為100 mm/s，離焦量為2 mm時(shí)，焊縫剪切強(qiáng)度最大，為124 MPa，達(dá)到母材剪切強(qiáng)度的82%。通過粘膠劑預(yù)固定后，在激光加熱過程中，可以很好地克服材料的變形，讓上下材料形成熔池，熔池冷卻凝固后熔合在一起形成焊縫，可以解決材料發(fā)生變形導(dǎo)致的焊穿或者虛焊問題。

鋁合金材料；粘膠劑；激光焊接；剪切強(qiáng)度

鋁合金材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造、食品包裝、以及消費(fèi)電子產(chǎn)品等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。為了節(jié)約生產(chǎn)成本及降低產(chǎn)品重量，材料厚度越來越薄，小于等于0.05 m超薄鋁合金材料的應(yīng)用將越來越多。

激光焊接具有熱量輸入集中、熱影響范圍小、與產(chǎn)品非接觸、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[4-9]，超薄鋁合金材料由于材料較軟，在激光焊接過程中容易發(fā)生變形，采用夾具也無法避免2層材料之間產(chǎn)生的間隙，容易導(dǎo)致虛焊，無法達(dá)到焊接要求。膠水粘接可以克服材料變形的問題，使2層材料很好地粘接在一起，但是膠水粘接的接頭不能承受較高或較低溫的環(huán)境[10-13]。將膠水粘接與激光焊接結(jié)合在一起，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，可以得到理想的焊接接頭。Orion Craigue等[14]研究了鋁合金A5754的激光膠焊工藝，該工藝方法成功應(yīng)用于厚板鋁合金（厚度為2.0 mm）的焊接中；劉黎明等[15]采用激光膠焊的方法對(duì)鎂合金進(jìn)行焊接，并且分析了接頭的微觀組織特征。截至目前，未見有對(duì)超薄鋁合金（厚度≤0.05 mm）激光膠焊接的報(bào)道出現(xiàn)。

文中先用粘膠劑粘接，將上下層超薄材料進(jìn)行預(yù)固定，然后進(jìn)行激光焊接，得到焊縫接頭剪切強(qiáng)度最大的工藝參數(shù)，并分析工藝參數(shù)對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為6061鋁合金，厚度為0.05 m，尺寸為200 mm×100 mm，材料化學(xué)成分見表１。先用1000目的細(xì)砂紙打磨鋁合金材料表面，去除氧化層，然后分別用丙酮、酒精清洗油污，干燥以備用。將2塊板材進(jìn)行搭接焊接，焊接過程中，用氬氣對(duì)焊縫進(jìn)行保護(hù)，氬氣純度為99.99%。粘膠劑為快干型結(jié)構(gòu)膠，主要成分是α-氰基丙烯酸乙酯，由美國(guó)3M公司提供，在空氣中微量水的催化下發(fā)生反應(yīng)，迅速固化，將上下層鋁合金材料粘接牢固。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Chemical composition of 6061aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 設(shè)備

采用氣動(dòng)熱壓機(jī)，型號(hào)為Q104R，對(duì)涂覆粘膠劑的鋁合金板材進(jìn)行加壓固定，使膠層厚度更加均勻，氣動(dòng)熱壓機(jī)由深圳市鑫億液壓設(shè)備有限公司提供，加壓質(zhì)量最大為3 t，加壓時(shí)間為0～999 s，設(shè)備如圖1a所示。激光焊接采用光纖激光器，型號(hào)為YLR-150/ 1500-QCW-AM，由美國(guó)IPG公司生產(chǎn)，最大輸出激光功率為250 W，光纖芯徑為14 μm，激光束從激光器發(fā)出后，經(jīng)過激光加工頭聚焦，對(duì)工件進(jìn)行激光加工，激光加工頭在X/Y模組的帶動(dòng)下進(jìn)行任意軌跡的焊接，焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1b所示。采用拉力機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，規(guī)格型號(hào)為WDH-10，由濟(jì)南華興實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司提供，將材料兩端夾住，下層材料固定，拉力機(jī)將上層材料往上拉，直到焊縫斷開，測(cè)試焊縫的剪切力，如圖1c所示，剪切力除以焊縫面積等于剪切強(qiáng)度。

圖1 氣動(dòng)熱壓與激光焊接設(shè)備

2 粘膠劑及激光焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 粘膠劑實(shí)驗(yàn)

將粘膠劑涂覆在下層鋁合金表面，然后將上層鋁合金板材搭在下層鋁合金板材上，采用氣動(dòng)熱壓機(jī)壓緊，壓緊時(shí)間為240 s，氣動(dòng)熱壓機(jī)的壓力值設(shè)置為20 kg。對(duì)粘接后的鋁合金板材進(jìn)行切片分析，用顯微鏡測(cè)試上下層材料之間的粘膠劑厚度，如圖2所示。隨著涂覆粘膠劑次數(shù)的增加，粘膠劑厚度逐漸增加，在涂覆次數(shù)為4時(shí)，粘膠劑的厚度達(dá)到最大的11.2 μm，繼續(xù)增加涂覆次數(shù)，粘膠劑的厚度沒有繼續(xù)增加，這是因?yàn)檎衬z劑有一定的流動(dòng)性，在壓力的作用下，粘膠劑在2塊材料之間擴(kuò)散，不會(huì)增加粘膠劑的厚度。隨著涂覆粘膠劑次數(shù)的增加，2塊材料之間的剪切強(qiáng)度也先增加后減小，當(dāng)涂覆次數(shù)為4時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大的45 MPa，當(dāng)涂覆次數(shù)為5時(shí)，剪切強(qiáng)度降低到31 MPa，這是因?yàn)檎衬z劑的寬度增加，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度降低。

圖2 上下層材料之間的粘膠劑

表2 粘膠劑涂覆次數(shù)與厚度

Tab.2 Number and thickness of adhesive coating

2.2 激光焊接實(shí)驗(yàn)

為節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)激光焊接參數(shù)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)粘膠劑的厚度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)厚度低于11.2 μm時(shí)，由于膠粘接的厚度較小，粘接強(qiáng)度較低，激光焊接過程中，材料容易產(chǎn)生熱變形，增加了材料之間的間隙，導(dǎo)致虛焊。因此，設(shè)定粘膠劑厚度為11.2 μm，進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)。對(duì)激光功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光功率低于100 W時(shí)，由于功率較低，產(chǎn)生的溫度較低，無法形成熔池，導(dǎo)致無法形成焊縫；當(dāng)激光功率高于200 W時(shí)，由于激光功率過高，導(dǎo)致材料部分氣化，材料缺失導(dǎo)致焊縫剪切強(qiáng)度降低。焊接速度也是激光焊接重要參數(shù)之一，當(dāng)焊接速度小于100 mm/s時(shí)，熱量堆積過大，材料變形較大，焊接過程中焊縫容易裂開，產(chǎn)生虛焊；當(dāng)速度大于300 mm/s時(shí)，熱量堆積不夠，無法形成有效的熔池，無法形成焊縫。離焦量是激光焦點(diǎn)與材料之間的距離，當(dāng)離焦量小于1 mm時(shí)，由于激光作用在材料上的光斑面積較小，激光功率密度高，將材料氣化，產(chǎn)生飛濺；當(dāng)離焦量大于3 mm時(shí)，激光作用在材料上的光斑面積較大，激光功率密度小，不足以將材料熔化產(chǎn)生熔池，無法形成焊接。為了得到最大的焊接接頭剪切強(qiáng)度，對(duì)激光平均功率、焊接速度以及離焦量進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，選取的三因素三水平如表3所示。

表3 因素水平表

Tab.3 Factor level

三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表4所示，當(dāng)激光平均功率為150 W，焊接速度為100 mm/s，離焦量為2 mm時(shí)，焊縫剪切強(qiáng)度達(dá)到最大的124 MPa，達(dá)到母材（6061鋁合金母材的剪切強(qiáng)度為150 MPa）剪切強(qiáng)度的82%，此時(shí)的激光焊接工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。對(duì)焊縫剪切強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，1，2，3分別表示激光平均功率、焊接速度、離焦量在三水平下的剪切強(qiáng)度總和。表示極差（剪切強(qiáng)度總和的最大值減去最小值），由極差分析結(jié)果得知影響焊縫剪切強(qiáng)度最主要的工藝參數(shù)為離焦量，其次是焊接速度，最次為激光平均功率。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Analysis of orthogonal experiment

2.3 焊縫外觀及切片分析

當(dāng)沒有用膠粘預(yù)固定時(shí)，焊縫會(huì)有部分焊穿現(xiàn)象，如圖3a所示，從焊縫切片可以看出，上下層材料之間有間隙，如圖3b所示，這是因?yàn)楹穸葹?.05 mm的鋁合金較薄，在激光焊接加熱過程中，材料容易發(fā)生變形，導(dǎo)致間隙變大，上層材料吸收激光能量后，產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)傳導(dǎo)到下層材料，大部分激光能量堆積在上層材料上，導(dǎo)致溫度過高，部分材料氣化，將上層材料焊穿，沒有和下層材料形成熔池，產(chǎn)生焊縫部分焊穿的現(xiàn)象。圖3c為膠粘預(yù)固定后，在最佳工藝參數(shù)條件下的焊縫外觀、焊縫表面均勻一致，無焊穿等現(xiàn)象；焊縫切片如圖3d所示，上下層材料之間沒有間隙，這是因?yàn)橛媚z粘預(yù)固定后，激光加熱過程中，可以克服材料的變形，讓上下材料形成熔池，冷卻凝固后熔合在一起，形成一致性好的焊縫。

圖3 焊縫外觀及切片

2.4 焊縫微觀結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)未采用膠粘預(yù)固定時(shí)，6061鋁合金母材的金相組織如圖4a所示，主要為α-Al組織，晶粒較為粗大。未用膠粘預(yù)固定的激光焊縫熔合線附近為典型的柱狀晶組織，且晶粒垂直于熔合線，如圖4b所示，這是因?yàn)榧す夂附舆^程中，熔池的冷卻速度極快，晶粒會(huì)優(yōu)先選擇散熱最快的方向生長(zhǎng)，即沿著垂直于熔合線的方向生長(zhǎng)。焊縫中心為細(xì)小的等軸晶粒，晶粒尺寸明顯小于母材，如圖4c所示，這是因?yàn)槿鄢刂行牡睦鋮s速率更快，熔池中心能夠自發(fā)形核，由此形成大量的等軸晶粒。采用膠粘預(yù)固定和未采用膠粘預(yù)固定的激光焊縫微觀結(jié)構(gòu)基本一致，說明膠粘不會(huì)對(duì)激光焊縫微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

a 母材 b 熔合區(qū) c 焊縫中心

3 結(jié)論

隨著涂覆粘膠劑次數(shù)的增加，厚度先增加后減小，當(dāng)涂覆次數(shù)為4時(shí)，粘膠劑的厚度達(dá)到最大的11.2 μm。當(dāng)粘膠劑厚度低于11.2 μm時(shí)，膠粘接的強(qiáng)度不夠，會(huì)在激光焊接過程中導(dǎo)致虛焊。

通過對(duì)激光焊接工藝參數(shù)進(jìn)行三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，由極差分析結(jié)果得知影響焊縫剪切強(qiáng)度最主要的工藝參數(shù)為離焦量，其次是焊接速度，最次為激光平均功率。

焊縫切片分析結(jié)果表明，膠粘預(yù)固定后，可以很好地克服材料在焊接過程中產(chǎn)生的熱變形，讓上下材料形成熔池，冷卻凝固后熔合在一起，形成焊縫表面均勻一致，無虛焊的效果。為其他超薄材料的焊接提供了技術(shù)參考。

[1] 張新明, 鄧運(yùn)來, 張勇. 高強(qiáng)鋁合金的發(fā)展及其材料的制備加工技術(shù)[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2015, 51(3): 257-271.

ZHANG Xin-ming, DENG Yun-lai, ZHANG Yong. Development of High Strength Aluminum Alloys and Processing Techniques for the Materials[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2015, 51(3): 257-271.

[2] 許曉靜, 蔣凌, 陸文俊, 等. 軋制及后續(xù)熱處理對(duì)5052鋁合金拉伸性能與晶體取向的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2014, 43(1): 245-248.

XU Xiao-jing, JIANG Ling, LU Wen-jun, et al. Effect of Rolling and Subsequent Heat Treatment on Tensile Property and Crystal Orientation of 5052 Al Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(1): 245-248.

[3] 張津, 李峰, 鄭林, 等. 2024-T351鋁合金攪拌摩擦焊焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力測(cè)試[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(2): 28-34.

ZHANG Jin, LI Feng, ZHENG Lin, et al. Internal Residual Stresses in the Friction Stir Weldment of 2024-T351 Al Alloy Determined by Short Wavelength X-Ray Diffraction[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(2): 28-34.

[4] 陳根余, 顧春影, 梅麗芳, 等. 激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用與激光組焊單元設(shè)計(jì)[J]. 電焊機(jī), 2010, 40(5): 32-38.

CHEN Gen-yu, GU Chun-ying, MEI Li-fang, et al. Application of Laser Welding Technology for Automobile Body Manufacturing and Design of Laser Welding Cell[J]. Electric Welding Machine, 2010, 40(5): 32-38.

[5] 毛志濤, 蒲曉薇, 汪維登, 等. Q345鋼激光焊與氣體保護(hù)焊的焊接變形與殘余應(yīng)力對(duì)比[J]. 中國(guó)激光, 2016, 43(6): 119-128.

MAO Zhi-tao, PU Xiao-wei, WANG Wei-deng, et al. Comparison of Welding Deformation and Residual Stress in Q345 Steel Thin-Plate Joints Induced by Laser Beam Welding and Gas Metal Arc Weldingr[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(6): 119-128.

[6] 劉文東, 李紅. 黃銅與不銹鋼異種金屬激光焊接工藝研究[J]. 應(yīng)用激光, 2019, 39(6): 966-969. LIU Wen-dong, LI Hong. Research on Laser Welding Process of Dissimilar Metal with Brass-Stainless Steel [J]. Applied Laser, 2019, 39(6): 966-969.

[7] 王悅悅, 殷國(guó)濤, 胡小小, 等. 硬質(zhì)合金/不銹鋼激光焊焊接性分析[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(5): 200-203.

WANG Yue-yue, YIN Guo-tao, HU Xiao-xiao, et al. Laser Welding Weldability of Cemented Carbide/Stainless Steel[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(5): 200-203.

[8] 楊勝, 李軍兆, 劉一搏, 等. 鈦/鋼異種金屬激光焊接接頭微觀組織及數(shù)值模擬研究[J]. 電焊機(jī), 2020, 399(8): 108-112.

YANG Sheng, LI Jun-zhao, LIU Yi-bo, et al. Research on Microstructure and Numerical Simulation of Laser Welding Joint of Titanium/Steel Dissimilar Metal[J]. Electric Welding Machine, 2020, 399(8): 108-112.

[9] 胡勤, 王進(jìn)華, 呂娟, 等. 6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料抗彈性能和抗彈機(jī)理研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2018, 37(18): 165-169.

HU Qin, WANG Jin-hua, LYU Juan, et al. Ballistic Performance and Anti-Ballistic Mechanism of 6061 Aluminum Confined Al2O3Ceramic Composite Material[J]. Journal of Vibration and Shock, 2018, 37(18): 165-169.

[10] 談超, 李玉龍, 郭亞洲. 復(fù)合材料夾芯管膠接連接結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2014, 31(6): 1532-1542.

TAN Chao, LI Yu-long, GUO Ya-zhou. Mechanical Property Analysis of Composite Adhesively Bonded Sandwich Pipe Joints[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2014, 31(6): 1532-1542.

[11] 張景德, 李厚義,茍金艷, 等. 原位生成Fe-Al/Al2O3復(fù)合陶瓷涂層[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2015, 44(3): 616-620.

ZHANG Jing-de, LI Hou-yi, GOU Jin-yan, et al. In-Situ Synthesis of Fe-Al/Al2O3Composite Ceramic Coatings[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2015, 44(3): 616- 20.

[12] 張鄖生. 我國(guó)汽車粘膠劑開發(fā)應(yīng)用的現(xiàn)狀及前景[J]. 粘接, 2009(7): 66-70.

ZHANG Yun-sheng. Current Situation and Prospect of Developments and Applications of Automotive Adhesives in our Country[J]. Adhesion in China, 2009(7): 66-70.

[13] 陳碩琛, 李光耀, 崔俊佳. 表面處理對(duì)車身用5182鋁合金接頭膠粘性能的影響[J]. 汽車工程, 2018, 40(7): 865-870.

CHEN Shuo-chen, LI Guang-yao, CUI Jun-jia. Effects of Surface Treatment on Bonding Performance of 5182 Aluminum Alloy Used in Vehicle Body Joints[J]. Automotive Engineering, 2018, 40(7): 865-870.

[14] ORION Craigue. Laser Beam Weld Bonding of AA5754 for Automobile Structures[J]. Welding Journal, 2003, 82(6): 151-159.

[15] 劉黎明, 王紅陽, 王恒, 等. 鎂合金激光膠接焊接頭微觀及力學(xué)性能[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2007, 18(3): 352-356.

LIU Li-ming, WANG Hong-yang, WANG Heng, et al. Microstructural Characteristics and Mechanical Properties of Laser Weld Bonded Joints in Magnesium Alloy[J]. China Mechanical Engineering, 2007, 18(3): 352-356.

Adhesive Bonding and Laser Welding of Ultra-Thin Aluminum Alloy

ZHANG Qun-wei, CHEN Gui-hua

(Henan University of Technology, Luohe Institute of Technology, Henan 462000, China)

The work aims to solve the problem of welding penetration or insufficient welding caused by material deformation in laser welding process of aluminum alloy with thickness of 0.05 mm. The adhesive was evenly coated on the surface of the lower aluminum alloy material to prefix the upper and lower aluminum alloy materials and then laser welding was adopted to form welds. By controlling the number of times of adhesive coating, an adhesive coating with a thickness of 11.2 μm was obtained, and the laser welding experiment was carried out to the aluminum alloy coated with adhesive. When average laser power was 150 W, welding speed was 100 mm/s, and defocus amount was 2 mm, the shear strength of welds was the maximum of 124 MPa, reaching to 82% of the base metal shear strength. After pre-fixation by adhesive, the deformation of the material can be well overcome in the process of laser heating, so that the upper and lower materials can form a molten pool, and then the molten pool is cooled and solidified to form welds, which can solve the problem of welding penetration or insufficient welding caused by the deformation of the material.

aluminum alloy; adhesive; laser welding; shear strength

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.021

TG456.7

A

1674-6457(2022)02-0138-05

2021-05-01

張群威（1984—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)檩p質(zhì)合金的先進(jìn)制造技術(shù)。