車用5052鋁合金薄板激光搭接焊工藝研究

■ 郭廷凱，孫巍，張鈞超，韋寶權(quán)

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1. 概述

5052鋁合金具有中等強(qiáng)度，因耐腐蝕性好，良好的成形性而被廣泛應(yīng)用于車身上的鈑金沖壓件，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。由于鋁合金焊接存在焊接變形大、熱影響區(qū)軟化等問題，故對(duì)焊接方法提出了較嚴(yán)格的要求。激光焊接具有能量密度集中、焊接變形小、低熱輸入量、焊縫質(zhì)量高和高效率等特點(diǎn)，是解決鋁合金焊接的完美方案。本文對(duì)5052鋁合金薄板激光搭接進(jìn)行了焊接工藝和性能的研究，為生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

2. 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)?zāi)覆臑?.2mm厚的5052—H32鋁合金延壓板材，試板尺寸為100mm×50mm×1.2mm，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

（2）焊接設(shè)備 試驗(yàn)采用德國通快Trudisk 8002碟片式激光器， HIGHYAG BIMO激光頭，通快直徑200μm光纖的激光加工系統(tǒng)，系統(tǒng)最大輸出功率8000W，波長1060mm，工作距離313mm，最小光斑直徑0.42mm。采用KUKA KR90六軸機(jī)器人作為激光加工系統(tǒng)載體進(jìn)行焊接過程，采用純氬氣進(jìn)行保護(hù)，焊前清理坡口面和坡口兩側(cè)25mm范圍內(nèi)的氧化膜、油污、雜質(zhì)等外來物。

3. 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）激光入射角度對(duì)焊縫成形的影響 激光搭接焊時(shí)，沿橫向的激光入射角度θ對(duì)焊縫表面成形影響較大，激光入射角度如圖1所示。同時(shí)由于鋁合金對(duì)激光反射率較高，為保護(hù)激光頭光學(xué)系統(tǒng)，沿焊縫縱向設(shè)定偏移3°～10°。采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，離焦量ΔZf=0時(shí)，分別設(shè)定激光入射角度為45°、90° 和135°進(jìn)行焊接，不同激光入射角度的焊縫成形如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)激光入射角度為90°時(shí)焊縫飽滿成形良好，無咬邊、內(nèi)凹等缺陷；當(dāng)入射角度為45°時(shí)焊縫凹陷，存在咬邊缺陷；當(dāng)入射角度為135°時(shí)，上板母材熔化，但下板母材并未熔化，焊縫不成形。分析認(rèn)為，當(dāng)入射角度90°時(shí)，上板材料熔化成為焊縫，使得焊縫飽滿無咬邊等缺陷。

表1 5052—H32鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 5052—H32鋁合金力學(xué)性能

圖1 激光入射角度示意

（2）離焦量對(duì)焊縫尺寸的影響 在激光加工系統(tǒng)固定時(shí)，不同的離焦量將會(huì)產(chǎn)生不同尺寸的光斑直徑。采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，分別設(shè)定離焦量ΔZf=-2，0，+2工藝進(jìn)行焊接。采用10%氫氧化鈉溶液對(duì)焊接試樣截面進(jìn)行腐蝕，搭接接頭宏觀金相和焊縫尺寸如圖3所示。從圖3可以看出，離焦量為ΔZf=-2，0，+2時(shí)，搭接焊縫的焊縫厚度a值分別約為1.0mm、1.2mm，0.9mm，ΔZf=+2離焦量時(shí)焊縫尺寸最大，焊縫截面積最大。分析認(rèn)為當(dāng)ΔZf=0時(shí)，光斑直徑最小為0.42mm，當(dāng)ΔZf=-2和+2時(shí)，光斑直徑相同且＞0.42mm，更大的光斑直徑會(huì)熔化更多的母材，使焊縫尺寸和截面積增大。但當(dāng)ΔZf=-2和+2時(shí)，光斑相對(duì)于加工面的位置是不同的。當(dāng)ΔZf=+2時(shí)光斑直接作用在上板，更有利于熱的傳導(dǎo)使得上板熔化變成焊縫的一部分，搭接接頭焊縫尺寸最大。

圖2 不同入射角度時(shí)焊縫成形

圖3 不同離焦量時(shí)焊縫成形

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4 拉伸試樣

（3）搭接接頭力學(xué)性能 對(duì)采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，離焦量ΔZf=+2工藝的激光焊搭接接頭，根據(jù)GB/T2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣，在AG—X 100kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。搭接接頭拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表3所示，拉伸試樣如圖4所示。搭接接頭的平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到了136 MPa，均斷裂在焊縫上。

4. 結(jié)語

（1）激光入射角度對(duì)薄板搭接焊縫成形影響較大，當(dāng)90°時(shí)，焊縫成形飽滿無凹陷和咬邊缺陷。

（2）離焦量ΔZf對(duì)搭接焊縫尺寸影響較大，當(dāng)離焦量ΔZf=+2時(shí)，焊縫尺寸最大為1.2 mm。

（3）采2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，離焦量ΔZf=+2工藝的搭接接頭的抗拉強(qiáng)度為136MPa，均斷裂在焊縫上。

[1] 陳彥賓. 現(xiàn)代激光焊接技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.