鋁合金光纖激光填絲焊接工藝研究

邵操

摘 要： 鋁合金性能強(qiáng)，密度低，具有良好的耐腐蝕性，強(qiáng)度和剛度較高，屬于較為理想的一種金屬結(jié)構(gòu)材料，主要應(yīng)用在航天航空和通信等領(lǐng)域中。激光焊接鋁合金具有高效率、大焊縫深度寬比和窄熱影響區(qū)等特征受到大眾關(guān)注，但是這種焊接方式在焊接鋁合金時(shí)會(huì)出現(xiàn)接頭氣孔、裂紋等問(wèn)題，影響成品質(zhì)量。基于此，本文就鋁合金光纖激光填絲焊接工藝展開(kāi)研究，首先該試驗(yàn)作出了相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，其次對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，以期能夠提高鋁合金焊接水平。

關(guān)鍵詞： 鋁合金;光纖激光填絲焊接;工藝

【中圖分類號(hào)】TG457.14 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.38.221

鋁合金不僅可以應(yīng)用在航天航空等領(lǐng)域，同時(shí)也能夠應(yīng)用在建材家電等領(lǐng)域中。鋁合金激光焊接憑借著激光高密度性質(zhì)使其表面熔化升溫，之后利用熔池訓(xùn)冷卻凝固，進(jìn)而形成焊縫。相對(duì)于其他焊接方式而言，鋁合金激光焊的優(yōu)勢(shì)更加明顯，而采用鋁合金光纖激光填絲焊接就是通過(guò)加入合金焊絲使焊接接頭合金元素?fù)p壞量減少，進(jìn)而對(duì)焊縫氣孔以及熱裂紋等現(xiàn)象起到抑制作用，改善焊縫下榻、凹陷等問(wèn)題，提高焊接接頭整體性能。

1 焊接工藝試驗(yàn)相關(guān)準(zhǔn)備

選擇5083鋁合金作為試驗(yàn)材料，焊絲直徑選擇1.2mm。焊接試樣包含了兩塊板材，規(guī)格為200*100*4mm，屈服強(qiáng)度是235MPa，抗拉強(qiáng)度是342MPa，延伸率可以達(dá)到12.5%。

采用光纖激光填絲焊接鋁合金，選擇IPG YLS-6000光纖激光器，焊接保護(hù)氣選擇氬氣，激光焦點(diǎn)位于板材表面時(shí)，光絲監(jiān)督就是激光焦點(diǎn)與焊絲軸線和板材表面交匯位置，在板材表面沒(méi)有激光和焊絲軸線交點(diǎn)時(shí)，光絲間距就是正值，在板材上方兩軸線有交點(diǎn)時(shí)光絲間距就是負(fù)值[1]。在進(jìn)行焊接前，需要對(duì)試樣進(jìn)程出來(lái)，先將試樣油污使用丙酮清除掉，之后將其氧化膜用氫氧化鈉溶液清除，之后將殘留堿液用30%硝酸溶液進(jìn)行中和，并將其用流水清洗掉，最后將其放進(jìn)干燥箱12h后取出，進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接后，將焊縫橫截面截取下來(lái)制備成試樣后進(jìn)行機(jī)械研磨、拋光、腐蝕等操作后，對(duì)其微觀形態(tài)進(jìn)行觀察，之后進(jìn)行接頭硬度測(cè)試和抗拉伸試驗(yàn)，對(duì)斷口情況進(jìn)行掃描觀察。

2 焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工藝參數(shù)

若是激光功率、焊接以及送絲速度等參數(shù)保持固定，則光絲間距d會(huì)影響焊縫成形，如圖1。若間距為-2mm時(shí)，焊縫表面會(huì)有間歇隆起現(xiàn)象，成形效果不佳;若是間距為0mm，則焊縫表面波動(dòng)并不明顯，成形效果加好，若是間距為1mm，則焊縫表面波紋均勻且光亮，成形效果最佳，若是間距擴(kuò)大到2mm，則焊縫中會(huì)出現(xiàn)未熔化焊絲痕跡，成形效果變差。而在高速攝像中，不同光絲間距的焊絲融合行為特征不同，若是間距為-2mm，則焊絲和激光軸線有明顯的過(guò)度交叉現(xiàn)象，輻照焊絲熔化和板材上方有逐漸擴(kuò)大的球形液滴，在達(dá)到一定程度后脫離焊絲進(jìn)入到熔池內(nèi)，使其波動(dòng)程度增加，導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性下降，進(jìn)而形成了不規(guī)則的焊縫[2]。若是間距為1mm，焊絲和激光軸線有明顯合適相交現(xiàn)象，彼此距離he恩瑾，但是并沒(méi)有被阻擋，熔化后可迅速與熔池相熔，整個(gè)過(guò)程連續(xù)且穩(wěn)定，波動(dòng)若，較為穩(wěn)定，成形效果好。若間距為2mm，焊絲在初時(shí)并沒(méi)有與激光軸線相交，但是隨著時(shí)間推移，其逐漸在接觸阻力的影響下朝向激光束方向出現(xiàn)彎曲，在于激光輻照區(qū)接近時(shí)，激光束會(huì)直接使焊絲半熔化，而未熔化部位會(huì)出現(xiàn)軟化鋪展，影響焊縫成形。

2.2 焊接組織

工藝條件優(yōu)化后，填絲焊接頭成像中發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部有顏色不同條紋，特別是位于焊縫上半部分有很深和很密的層狀條紋，在于熔合線內(nèi)部接近的部位也有很多偏析線，形狀和熔合線平行，且在焊縫中心部位的偏析線顏色比較深，深度上逐漸從密集條紋逐漸變?yōu)橹旅芷鰣F(tuán)，一直延伸到焊縫底部，心部晶粒團(tuán)簇偏析現(xiàn)象比較低，分布也比較稀疏[3]。

2.3 接頭性能

鋁合金光纖激光填絲焊縫結(jié)構(gòu)的橫截面中部水平方向顯微硬度分布類似于自溶焊接頭硬度分布，都表現(xiàn)為相較于母材而言，中心硬度更低，兩側(cè)區(qū)域存在較窄的熱影響現(xiàn)象。100g載荷情況下，焊縫中心硬度大約在86.5HV0.1，與自熔焊硬度82HV0.1對(duì)比來(lái)說(shuō)，其硬度有所上升，這是由于填絲導(dǎo)致的晶粒細(xì)化。

對(duì)比光纖激光自熔焊以及填絲焊接的力學(xué)性能，可以發(fā)現(xiàn)，填絲焊接頭部的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到母材的88%，延伸率可以達(dá)到母材的5.43%，相對(duì)于自熔焊接更高，屈從強(qiáng)度接近于母材以及自熔焊接[4]。這是由于填絲焊接能夠?qū)⒑缚p表面存在的缺陷消除，成形穩(wěn)定，因此可以防止接頭受力而導(dǎo)致表面缺陷應(yīng)力集中，使焊接接頭性能大大優(yōu)化，同時(shí)，填絲焊接組織細(xì)化，晶粒細(xì)化可以提高其受力能力，進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)性能提升。而對(duì)于抗拉強(qiáng)度而言，盡管填絲焊接的抗拉強(qiáng)度較高，但是其相對(duì)于母材而言仍然較低，這是由于鋁合金為無(wú)法通過(guò)熱處理強(qiáng)化，其只能夠通過(guò)加工硬化和固溶實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，焊接會(huì)導(dǎo)致金屬熔化，相對(duì)于母材而言其強(qiáng)度就比較低。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，本文通過(guò)對(duì)鋁合金光纖激光填絲焊接進(jìn)行試驗(yàn)得到，焊接工藝質(zhì)量與工藝參數(shù)、焊接組織和接頭性能等因素有關(guān)，激光填絲焊接能夠使焊接過(guò)程穩(wěn)定，消除焊接缺陷，成形效果好，可以細(xì)化焊縫內(nèi)部，提高接頭抗拉強(qiáng)度、延伸率。

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