鋁-鎳異種金屬激光焊接工藝研究

馬軍龍

中國一重（黑龍江）重工有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161041

1 序言

隨著有色金屬應(yīng)用的日益廣泛，其連接技術(shù)也隨之備受關(guān)注。工業(yè)純鎳具有優(yōu)異的耐蝕性，在工業(yè)生產(chǎn)中，純鎳主要用來制造不銹鋼以及其他耐腐蝕合金，也可作為加氫反應(yīng)催化劑，以及制造陶瓷產(chǎn)品、電子線路、綠色玻璃和Ni的化合物等。鋁的密度小、延展性好，耐蝕性、導(dǎo)熱及導(dǎo)電等性能優(yōu)良，而且在很低的溫度下依然能夠得到滿意的力學(xué)性能，在化工、機(jī)械、交通、建筑、航空航天及日常生產(chǎn)生活等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外常用傳統(tǒng)的焊接方法（如MIG、TIG等）對(duì)此類金屬進(jìn)行焊接，但接頭強(qiáng)度不足，且焊縫容易產(chǎn)生氣體、夾渣、裂紋等缺陷，同時(shí)被焊金屬表面狀態(tài)對(duì)焊接質(zhì)量影響大。焊縫中容易出現(xiàn)焊接變形和氣孔，殘余應(yīng)力較大，且對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感，不能充分發(fā)揮材料的性能。因此，探索新的焊接方法在鎳、鋁構(gòu)件材料中的運(yùn)用，是非常必要和迫切的[1-3]。

2 焊接參數(shù)對(duì)焊接接頭表面成形的影響

不銹鋼薄板激光焊接參數(shù)見表1。在鋁-鎳激光焊接試驗(yàn)中，所涉及的焊接參數(shù)主要有激光頻率、激光功率和焊接速度。由于它們對(duì)接頭的作用不同，因而對(duì)接頭性能影響的程度也不同[4-6]。通過文獻(xiàn)查閱和部分試驗(yàn)研究，當(dāng)激光頻率為200Hz時(shí)，焊接效果最好，且能保證較小的熱輸入。下面分別從激光功率和焊接速度的角度來討論焊接參數(shù)對(duì)接頭宏觀形貌的影響[7，8]。其中，8號(hào)為最佳焊接參數(shù)，1～7號(hào)為對(duì)照組。在8號(hào)參數(shù)基礎(chǔ)上，1～4號(hào)只改變激光功率，5～7號(hào)只改變焊接速度。

表1 不銹鋼薄板對(duì)接激光焊接參數(shù)

2.1 激光功率對(duì)焊接接頭表面成形的影響

1～3號(hào)試樣焊接接頭的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可看出，當(dāng)激光功率較小時(shí)，焊接試件整體變形較小，焊縫表面無明顯的氣孔和裂紋等缺陷，也無明顯的飛濺和咬邊現(xiàn)象，有波紋形紋理。在焊接速度不變的情況下，隨著激光功率的增加，焊縫正面的熔寬增加。當(dāng)激光功率＜1.8kW時(shí)，焊縫中心位置有明顯凹陷，氧化現(xiàn)象不明顯；當(dāng)激光功率為2.0kW時(shí)，焊縫成形良好，氧化現(xiàn)象不明顯；當(dāng)激光功率為2.2kW時(shí)，焊縫成形良好，表面平滑美觀，紋理清晰；當(dāng)激光功率為2.4kW時(shí)，焊縫成形較好，表面氧化較為嚴(yán)重，背面剛好焊透；當(dāng)激光功率為2.6kW時(shí)，焊縫完全焊穿，熔池金屬翻卷起來，呈現(xiàn)黑色，氧化十分嚴(yán)重。

圖1 1～3號(hào)試樣焊接接頭宏觀形貌

2.2 焊接速度對(duì)焊接接頭表面成形的影響

5～7號(hào)試樣焊接接頭的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可看出，焊縫表面無明顯的氣孔和裂紋等缺陷，焊接試件整體變形較小，也無明顯的飛濺和咬邊現(xiàn)象，有波紋形紋理。在激光功率不變的情況下，隨著焊接速度的減慢，焊縫的寬度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)焊接速度為50mm/s時(shí)，接頭熔寬小且焊縫中心有條線狀凹陷；當(dāng)焊接速度為40mm/s時(shí)，焊縫熔透且成形良好，表面平滑美觀，紋理清晰；當(dāng)焊接速度為30mm/s時(shí)，焊縫寬度較大，表面氧化嚴(yán)重；當(dāng)焊接速度為20mm/s時(shí)，焊縫氧化很嚴(yán)重，開始產(chǎn)生明顯變形，焊縫扭曲，背面已焊透。

圖2 5～7號(hào)試樣焊接接頭宏觀形貌

3 激光焊接參數(shù)對(duì)熔深、熔寬的影響

鋁-鎳搭接的焊接結(jié)構(gòu)，其焊接質(zhì)量不僅取決于接頭的力學(xué)性能，而且也與焊縫成形及氧化變色程度相關(guān)。焊縫熔深及熔寬是衡量接頭表面成形、背面氧化變色程度及力學(xué)性能的重要因素。熔深主要影響接頭焊縫背面質(zhì)量，而熔寬主要影響接頭的力學(xué)性能。激光焊接參數(shù)（激光功率、焊接速度）是影響焊接質(zhì)量的重要因素。本試驗(yàn)采用鋁-鎳搭接接頭，重點(diǎn)研究激光功率、焊接速度對(duì)不銹鋼對(duì)接接頭焊縫熔深、熔寬及微觀組織和拉伸性能的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)中鋁-鎳搭接激光焊接參數(shù)的優(yōu)化提供必要的理論依據(jù)。

3.1 激光功率對(duì)熔深、熔寬的影響

當(dāng)激光頻率為200Hz、焊接速度為40mm/s時(shí)，激光功率對(duì)焊縫熔深、熔寬的影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 激光功率對(duì)焊縫熔深、熔寬的影響規(guī)律

由圖3可知，焊縫的熔深、熔寬受激光功率的影響很大，而焊縫的余高顯示不出規(guī)律性，部分參數(shù)下余高較大原因可能是保護(hù)氣方向?qū)е碌?。?dāng)激光功率較?。?.8kW）時(shí)，不銹鋼薄板只有少量的熔化，焊縫熔深較小、熔寬較窄。隨著激光功率的增加，熔深、熔寬明顯增大，當(dāng)激光功率達(dá)到2.4kW時(shí)，焊縫剛好焊透，而隨著激光功率再次增大，熔寬繼續(xù)增大，而背面焊縫也隨之加寬。

3.2 焊接速度對(duì)熔深、熔寬的影響

當(dāng)激光頻率為200Hz，激光功率為2.2kW時(shí)，焊接速度對(duì)焊縫熔深、熔寬的影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 焊接速度對(duì)焊縫熔深、熔寬的影響規(guī)律

由圖4可知，隨著焊接速度的降低，熔深、熔寬明顯增大，當(dāng)焊接速度只有30mm/s時(shí)，焊縫即將完全焊透，而隨著激光功率再次增大，熔寬繼續(xù)增大，而背面焊縫也熔透并隨之加寬。

4 結(jié)束語

1）當(dāng)功率增大時(shí)，激光熱輸入增大，被焊金屬材料的熔化量就會(huì)增加，熔池尺寸會(huì)相應(yīng)地增大，從而使焊縫熔寬增大。而焊接速度越快，激光束在試件表面移動(dòng)得越快，單位時(shí)間、單位長(zhǎng)度焊縫內(nèi)輸入的能量就減小，激光焊接熱輸入減小，被焊金屬材料的熔化量減少，從而使焊縫熔寬變小。

2）在鋁-鎳激光焊接接頭中，當(dāng)激光功率較低或焊接速度較大時(shí)，鋁-鎳接頭界面的母材熔化量較少，同時(shí)鋁-鎳接頭的熔寬及變形較??；當(dāng)激光功率升高或焊接速度降低時(shí)，母材熔化量增大，焊縫的熔寬增加。