铝合金薄板无气体保护激光焊接组织与性能研究

■ 张钧超，赵福城，孙巍，徐玉君

1. 概述

在焊接领域中，保护气体对焊接过程和质量起着至关重要的作用。如在弧焊中，保护气体可以有效避免焊接气孔、提高焊缝质量、避免材质氧化、提高焊熔敷率、控制飞溅，以及减少焊后清渣、控制焊缝成形、减少过度焊接、提高焊接速度、控制焊接烟尘等作用。在激光焊接中，保护气体作为一个影响激光焊接工艺特性的关键因素，可以通过稀释金属蒸气和光致等离子体浓度抑制屏蔽效应，提高激光吸收率，达到激光深熔焊的效果，进而提高焊接工艺稳定性和焊缝质量；同时具有保护高温区焊缝不被污染和氧化的作用，特别对于在高温下化学性质极其活泼的、易于氧化、易于电离的铝合金类有色金属材料的激光焊接，保护气体对于保证焊接质量起着至关重要的作用。但目前很少有关于无气保护焊接方面研究的相关报道。

本文主要应用激光焊接技术对1mm厚3A21铝合金轧制板材进行了有气体保护和无气体保护激光焊接对比试验，以及对焊缝成形的影响，并在工艺研究基础上，借助光学显微镜、万能拉伸试验机对有、无气体保护3A21铝合金激光焊接接头进行金相组织观察和力学性能检测，研究了有、无气体保护对激光焊焊接铝合金接头组织和力学性能影响，为无气体保护铝合金薄板工艺开发提供参考。

2. 试验材料、设备及方法

试验母材为1mm厚的3A21—O铝合金轧制板材，尺寸规格为300mm×150mm×1mm。该合金属于防锈铝，不可热处理强化，合金塑性较高但强度较低，常用冷加工方法提高其力学性能。此合金具有良好的加工性能、抗蚀性强、焊接性能好等特点，广泛应用于飞机油箱、油路导管、燃料箱、薄板加工的各种压力容器管道、薄板加工件、建筑加工件、各种灯具零部件及铆钉线材等。3A21、3A21—O铝合金的化学成分和力学性能如表1、表2所示。

试验采用了由KUKA—KR90六轴工业机器人控制的激光焊接系统，其中包括德国TRUMPF生产的Trudisk 8002碟片式激光器，最大输出功率8 k W；HIGHYAG BIMO激光焊接头，焦距为310mm，激光通过芯径200μm的光纤传输经激光焊接头聚焦后获得最小光斑直径为0.42mm，采用有、无气体保护进行1mm厚薄板3A21激光自熔焊接对比试验。

焊前，采用机械方法对坡口面及坡口两侧25mm范围进行表面清理去除表面氧化膜、油污等外来杂质，同时增大了母材表面粗糙度，增加母材对激光的吸收率。激光焊接参数如表3所示。在工艺试验结束后，对有、无气体保护的3A21铝合金激光焊接试件进行射线（RT）检测，RT检测后从两试件上分别取样，处理后进行拉伸，并进行宏观及微观组织形貌分析。

焊前进行工艺优化，焊后对焊缝进行射线（RT）检测、金相组织观察和力学性能拉伸试验。

3. 试验结果

（1）焊缝成形 图1和图2为有、无气体保护激光焊焊缝表面成形情况。由图1、图2可看出，有气体保护的焊缝表面无明显塌陷，焊缝正反面成形良好、均匀美观。无气体保护焊缝的表面焊缝宽度一致，较为均匀，正反表面较粗糙，正面存在有一定程度的塌陷和小凹坑。分析认为，可能是由于在焊接过程中，熔池表面与空气发生激烈反应产生飞溅，导致表面塌陷或凹坑。氩气保护有助于改善焊缝表面成形。

（2）射线检测（RT） 图3为有、无气体保护激光焊接试件X射线底片。由图3可看出，两种焊接接头均未见气孔、夹杂、裂纹等缺陷，焊接接头质量符合ISO13919.2 B级要求。说明对于铝合金薄板激光焊时，可以不采取气体防护。

（3）金相组织 图4为3A21铝合金焊接接头的显微组织。图4a和图4b为3A21铝合金有无气体保护焊缝显微组织，二者无明显差别，均为典型的铸造态组织。铝合金激光焊加热时，焊缝处的温度高达2000℃，熔池在经历了一系列化学冶金反应后，随着热源的远离温度迅速下降，凝固后成为牢固的焊缝。由于铝合金激光焊熔池非常小，铝合金导热系数较大，熔池经历快速加热和快速冷却结晶过程，形成了典型的急冷铸态细小的结晶组织。熔合区温度梯度较大，沿着散热较快方向的反向晶粒长大速度较快，即借助半熔化的晶粒形核，沿垂直于熔合线方向发生联生柱状晶粒生长，且在靠近熔合线母材一侧较窄区域内发生再结晶，热影响区晶粒无明显长大。图4c和图4d为有、无气体保护的熔合区组织，二者同样无明显区别。

图1 3A21激光焊接有气体保护焊缝宏观形貌

图2 3A21激光焊接无气体保护焊缝宏观形貌

图3 3A21铝合金激光焊接试件X射线底片

表1 3A21铝合金化学成分（质量分数） （%)

表2 3A21—O铝合金力学性

表3 激光焊接参数

（4）焊接接头力学性能 表4为3A21铝合金焊接接头的常温拉伸试验结果（见图5）。由表4可知，有气体保护激光焊接接头平均抗拉强度为117MPa，无气体保护激光焊接接头平均抗拉强度为118MPa，二者接头强度相当，都能达到母材强度的77%，抗拉强度明显均低于母材抗拉强度；有气体保护的接头断裂在热影响区，而无气体保护焊接接头在熔合线处断裂，分析认为，造成这一结果的原因可能是焊缝表面存在咬边，造成熔合线处产生应力集中。

图4 焊接头金相组织

图5 3A21铝合金激光焊接接头拉伸断裂试样

表4 拉伸试验结果

4. 结语

（1）采用激光焊接3A21薄板铝合金时，氩气保护焊缝成形均匀美观，无气体保护焊缝成形略差，气体保护有助于改善焊缝表面成形。有、无氩气保护激光焊接都可获得内部无缺陷接头，二者接头强度相当，都能达到母材强度的77%。

（2）3A21铝合金激光焊接接头焊缝区为典型的极冷铸造态组织，熔合区为联生柱状晶组织，靠近熔合线母材侧发生小区域再结晶，热影响区晶粒无明显长大。

（3）激光焊接铝合金薄板，如对表面要求不高，无气体保护激光焊接工艺将是更经济、更易于实现生产应用的一种工艺方法。

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