黑化處理對(duì)2A14鋁合金激光-TIG復(fù)合焊焊縫成形的影響

康澤軍　李先芬　陳　俊　許新猴　華　鵬　周　偉②

(①合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；②新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院，新加坡 639798)

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黑化處理對(duì)2A14鋁合金激光-TIG復(fù)合焊焊縫成形的影響

康澤軍①李先芬①陳?、僭S新猴①華鵬①周偉①②

(①合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；②新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院，新加坡 639798)

為了提高鋁合金對(duì)激光的吸收率，改善焊縫表面成形質(zhì)量，對(duì)3 mm厚的2A14鋁合金黑化后進(jìn)行激光-TIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)。黑化采用的是對(duì)激光具有較高吸收率的碳素墨汁，將其在焊接前涂覆于工件表面，然后施焊。對(duì)比研究了黑化處理對(duì)焊縫成形質(zhì)量、顯微組織以及顯微硬度的影響，并改變黑化寬度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：黑化處理可以提高激光吸收率。但是黑化寬度的變化對(duì)焊縫成形的影響不大。

激光-TIG復(fù)合焊接；鋁合金；黑化；顯微組織；顯微硬度

鋁合金由于具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性和良好的加工性能，已經(jīng)成為重要的金屬結(jié)構(gòu)材料，被廣泛地應(yīng)用于航空、航天以及汽車、高鐵等行業(yè)。在航天工業(yè)中，鋁銅合金是宇宙飛行器結(jié)構(gòu)件和運(yùn)載火箭的重要材料[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外高速列車車體主要采用大型鋁合金型材和板材焊接而成[3]。研究結(jié)果表明，鋁合金結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)能減輕軌道車輛自重35%～66%，能分別增效和節(jié)能10%以上[4-5]。

激光電弧復(fù)合焊接通過(guò)激光與電弧的相互作用，避免了單一熱源焊接的缺陷，使得焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和焊縫成形得到顯著改善；同時(shí)大大降低了對(duì)坡口的準(zhǔn)備和裝配精度的要求，提高了橋接能力。然而，鋁合金對(duì)激光的吸收率很低，表1所示為純鋁對(duì)不同激光的吸收率。金屬材料對(duì)激光的吸收率隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度升高到接近熔點(diǎn)時(shí)，吸收率可達(dá)到40%～50%[6-8]。金屬材料對(duì)激光的吸收率除受波長(zhǎng)和溫度的影響外，還受其表面狀態(tài)的影響。為了提高金屬熱處理的光能利用率，經(jīng)常采用在材料表面涂覆一層對(duì)激光吸收率較高的物質(zhì)。在激光功率為150 W，掃描速度為10 mm/s時(shí)40鋼的表面涂覆0.15 mm厚的石墨層，對(duì)激光的吸收率達(dá)到0.63[6,9]。

表1鋁對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收[6]

材料(20℃)吸收率準(zhǔn)分子(250nm)紅寶石(700nm)Nd:YAG(1060nm)CO2(10600nm)Al0.180.110.080.019

本文以2A14鋁合金為研究材料，采用碳素墨汁作為黑化處理的材料，分析了激光-TIG復(fù)合焊在不同黑化寬度的情況下對(duì)焊縫成形質(zhì)量、顯微組織以及硬度的影響，為提高激光吸收率的研究提供指導(dǎo)。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用的激光焊接設(shè)備如圖1所示，激光波長(zhǎng)λ=1.06 μm，最大輸出功率P0=1 kW，焦距f=120 mm，焦點(diǎn)光斑直徑D=0.6 mm。激光作用點(diǎn)與鎢極尖端的水平距離定義為熱源間距，設(shè)定熱源間距為1 mm。實(shí)驗(yàn)采用的電弧焊接設(shè)備為直流電弧焊機(jī)WSM-400(PNE61-400P)，鎢極直徑為1.2 mm。

1.2實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料采用的是2A14鋁合金，熱處理狀態(tài)為退火態(tài)，屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金。實(shí)驗(yàn)采用的鋁合金焊件的規(guī)格為：200 mm×100 mm×3 mm平板件。2A14的化學(xué)成分見表2。

表22A14鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

SiFeCuMnMgNiZnTiAl0.6～1.20.73.9～4.80.4～1.00.4～0.80.10.30.15余

1.3實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，先用丙酮清洗工件，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干。對(duì)工件進(jìn)行焊前黑化處理，即在工件表面涂覆不同寬度的碳素墨汁，然后在烘干爐中進(jìn)行低溫烘干。待烘干完成后進(jìn)行激光-TIG復(fù)合焊接，具體參數(shù)如表3所示。焊接前黑化處理后的工件表面如圖2所示。實(shí)驗(yàn)完成后，用砂紙打磨焊縫截面，然后用30%的NaOH溶液對(duì)截面進(jìn)行宏觀腐蝕，直至出現(xiàn)焊縫輪廓，利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)焊縫的熔深、熔寬進(jìn)行拍照記錄。采用keller試劑對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，其中keller試劑的具體配比為1 mlHF、2.5 mlHNO3、1.5 mlHCl、和95 mlH2O。采用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察和分析。采用MH-3顯微硬度計(jì)測(cè)定從焊縫至母材的顯微硬度變化，加載200 g，加載時(shí)間為10 s。

表32 A14鋁合金的焊接參數(shù)

編號(hào)脈寬/ms頻率/Hz焊速/(mm/min)氣流量/(L/min)離焦量/(mm)激光電流/A電弧電流/A黑化寬度/mm12.03030010-1100100022.03030010-1100100332.03030010-1100100542.03030010-11001007

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1黑化處理對(duì)焊縫成形的影響

圖3所示為未黑化處理和黑化處理的焊縫形貌，1號(hào)為沒(méi)有進(jìn)行黑化處理獲得的焊縫，3號(hào)為黑化處理5 mm獲得的焊縫。由圖3a可知，3號(hào)焊縫比1號(hào)焊縫寬，并且3號(hào)焊縫中間呈灰色，兩側(cè)呈黑色，而1號(hào)焊縫整體呈黑色。由圖3 b可知，黑化處理獲得的焊縫熔寬、熔深明顯大于未黑化處理的。表4為兩條焊縫的熔寬、熔深尺寸，由表直觀看出黑化處理可以增大熔深、熔寬。

表4焊縫的熔深、熔寬對(duì)比

編號(hào)熔深/mm熔寬/mm11.73.232.03.5

圖4所示為未黑化處理和黑化處理的熱影響區(qū)的顯微組織對(duì)比。未黑化處理的熱影響區(qū)晶粒生長(zhǎng)方向明顯，并且尺寸較大，而黑化處理后晶粒生長(zhǎng)方向不明顯，并且晶粒尺寸較小。

圖5所示為未黑化處理獲得的焊縫與黑化處理獲得的焊縫的顯微硬度的對(duì)比。本次焊接實(shí)驗(yàn)采用的母材2A14為退火態(tài)，所以硬度的整體變化規(guī)律為硬度值沿著母材、熱影響區(qū)、焊縫的方向不斷增加。由圖可知，黑化處理獲得的焊縫中心和熱影響區(qū)的顯微硬度都略低于未黑化處理的焊縫中心和熱影響區(qū)。

2.2黑化寬度對(duì)焊縫成形的影響

由以上黑化處理和未黑化處理的焊縫成形對(duì)比分析，可知黑化處理可以提高激光的吸收率。為此進(jìn)行深入研究，分析黑化寬度對(duì)焊縫成形的影響。

圖6所示的2、3、4號(hào)焊縫分別由黑化寬度3 mm、5 mm、7 mm時(shí)獲得。由圖6可知，隨著黑化寬度的增大，焊縫的寬度也逐漸增大，但焊縫寬度的增大幅度逐漸減小，并且3號(hào)焊縫的正面形貌是較好的。表5所示為不同黑化寬度下獲得的焊縫熔寬、熔深的尺寸對(duì)比。由表可知，隨著黑化寬度的增大，焊縫的熔深變化不大，而焊縫的熔寬會(huì)小幅度的增大。

表5不同黑化寬度的焊縫熔深、熔寬對(duì)比

編號(hào)熔深/mm熔寬/mm22.13.332.03.542.03.6

圖7所示為不同黑化寬度下的熱影響區(qū)的顯微組織。由圖對(duì)比可知，隨著黑化寬度的不斷增大，熱影響區(qū)的晶粒生長(zhǎng)方向性逐漸不明顯。

圖8所示為焊縫的顯微硬度分布對(duì)比，由圖對(duì)比可知，隨著黑化寬度的增加，焊縫中心的寬度不斷增大，尤其是黑化寬度為7 mm時(shí)最寬，并且焊縫中心和熱影響區(qū)的平均硬度逐漸降低。

2.3黑化機(jī)理的分析

采用碳素墨汁實(shí)施黑化工藝，進(jìn)行鋁合金的激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，碳素墨汁中的碳在一定程度上可以吸收激光，增加鋁合金對(duì)激光利用率。

在2A14的激光-TIG焊接過(guò)程中，黑化寬度的變化會(huì)影響激光的吸收率，從而影響焊縫的成形以及其力學(xué)性能。從焊縫的截面尺寸可以看出，黑化處理后的熔寬、熔深都增大，這說(shuō)明黑化處理可以增加激光的吸收率，在焊接過(guò)程中提高能量的利用率。但是，隨著黑化寬度的增加，焊縫的熔深變化不大，而焊縫的熔寬會(huì)小幅度的增大。這是因?yàn)樵诩す夂附舆^(guò)程中，黑化寬度的增大，就會(huì)增大工件對(duì)能量吸收的有效面積，從而擴(kuò)大了能量的吸收，但是多吸收的能量對(duì)工件的表面作用區(qū)域增大，導(dǎo)致獲得焊縫的熔寬增大，而熔深基本不變。

從焊接接頭顯微硬度分布規(guī)律可知，黑化處理獲得的焊縫的平均顯微硬度較低，進(jìn)一步證實(shí)黑化增加了能量的利用率，導(dǎo)致焊縫的硬度下降。而隨著黑化寬度的增大，焊縫的平均顯微硬度逐漸小幅度降低。

基于以上分析，黑化處理在一定程度上可以增加材料對(duì)激光的吸收率，從而增加能量的利用率，最終可以實(shí)現(xiàn)低能量輸入的情況下獲得合格的焊縫。黑化的寬度對(duì)焊縫成形影響不明顯。隨著黑化寬度的增大，焊縫的熔寬會(huì)小幅度增大。綜合分析可知，黑化寬度為5 mm時(shí)獲得的焊縫成形最好。

3　結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)2A14鋁合金進(jìn)行激光-TIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了不同黑化寬度對(duì)焊縫成形質(zhì)量以及顯微組織的影響，并得出了以下結(jié)論：

(1)對(duì)3 mm厚的2A14鋁合金板材在激光-TIG復(fù)合焊接前進(jìn)行黑化處理，可以提高鋁合金對(duì)激光的吸收率，從而增加能量的利用率。

(2)黑化寬度對(duì)焊縫的影響不明顯。隨著黑化寬度的增大，焊縫的熔寬有所增大，焊縫的硬度有所下降。進(jìn)行黑化處理的較好寬度為5 mm，此時(shí)獲得焊縫成形較好。

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(編輯李靜)

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Effects of carbon ink on laser-TIG hybrid welding formation of 2A14 aluminum alloy

KANG Zejun①, LI Xianfen①, CHEN Jun①, XU Xinhou①, HUA Peng①, ZHOU Wei①②

(①School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, CHN; ②School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798)

In order to increase the absorption of energy and improve the weld appearance in hybrid welding of aluminum alloy, 3mm 2A14 aluminum alloy plate being blacked with different widths was welded by laser-TIG hybrid welding. The carbon ink was coated on the workpiece surface before welding. The effect of different black widths on weld bead appearance, microstructure and hardness distribution was studied. The experimental results show that the treatment covering the plate with carbon ink can improve the absorption of laser energy and increase the weld penetration. However, the change of the width of the black area has little effect on the weld formation.

laser-TIG hybrid welding; aluminum alloy; black; microstructure; micro-hardness

TG456.7

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.026

康澤軍，男，1991年生，碩士，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)焊接技術(shù)(激光焊接)。

2016-01-26)

160837