车用5052铝合金薄板激光搭接焊工艺研究

■ 郭廷凯，孙巍，张钧超，韦宝权

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1. 概述

5052铝合金具有中等强度，因耐腐蚀性好，良好的成形性而被广泛应用于车身上的钣金冲压件，是实现汽车轻量化的有效途径，对于节能减排具有重要意义。由于铝合金焊接存在焊接变形大、热影响区软化等问题，故对焊接方法提出了较严格的要求。激光焊接具有能量密度集中、焊接变形小、低热输入量、焊缝质量高和高效率等特点，是解决铝合金焊接的完美方案。本文对5052铝合金薄板激光搭接进行了焊接工艺和性能的研究，为生产提供了技术支持。

2. 试验材料及试验方法

（1）试验材料 试验母材为1.2mm厚的5052—H32铝合金延压板材，试板尺寸为100mm×50mm×1.2mm，化学成分和力学性能如表1和表2所示。

（2）焊接设备 试验采用德国通快Trudisk 8002碟片式激光器， HIGHYAG BIMO激光头，通快直径200µm光纤的激光加工系统，系统最大输出功率8000W，波长1060mm，工作距离313mm，最小光斑直径0.42mm。采用KUKA KR90六轴机器人作为激光加工系统载体进行焊接过程，采用纯氩气进行保护，焊前清理坡口面和坡口两侧25mm范围内的氧化膜、油污、杂质等外来物。

3. 试验结果分析

（1）激光入射角度对焊缝成形的影响 激光搭接焊时，沿横向的激光入射角度θ对焊缝表面成形影响较大，激光入射角度如图1所示。同时由于铝合金对激光反射率较高，为保护激光头光学系统，沿焊缝纵向设定偏移3°～10°。采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，离焦量ΔZf=0时，分别设定激光入射角度为45°、90° 和135°进行焊接，不同激光入射角度的焊缝成形如图2所示。由图2可以看出，当激光入射角度为90°时焊缝饱满成形良好，无咬边、内凹等缺陷；当入射角度为45°时焊缝凹陷，存在咬边缺陷；当入射角度为135°时，上板母材熔化，但下板母材并未熔化，焊缝不成形。分析认为，当入射角度90°时，上板材料熔化成为焊缝，使得焊缝饱满无咬边等缺陷。

表1 5052—H32铝合金化学成分（质量分数） （%）

表2 5052—H32铝合金力学性能

图1 激光入射角度示意

（2）离焦量对焊缝尺寸的影响 在激光加工系统固定时，不同的离焦量将会产生不同尺寸的光斑直径。采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，分别设定离焦量ΔZf=-2，0，+2工艺进行焊接。采用10%氢氧化钠溶液对焊接试样截面进行腐蚀，搭接接头宏观金相和焊缝尺寸如图3所示。从图3可以看出，离焦量为ΔZf=-2，0，+2时，搭接焊缝的焊缝厚度a值分别约为1.0mm、1.2mm，0.9mm，ΔZf=+2离焦量时焊缝尺寸最大，焊缝截面积最大。分析认为当ΔZf=0时，光斑直径最小为0.42mm，当ΔZf=-2和+2时，光斑直径相同且＞0.42mm，更大的光斑直径会熔化更多的母材，使焊缝尺寸和截面积增大。但当ΔZf=-2和+2时，光斑相对于加工面的位置是不同的。当ΔZf=+2时光斑直接作用在上板，更有利于热的传导使得上板熔化变成焊缝的一部分，搭接接头焊缝尺寸最大。

图2 不同入射角度时焊缝成形

图3 不同离焦量时焊缝成形

表3 拉伸试验结果

图4 拉伸试样

（3）搭接接头力学性能 对采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，离焦量ΔZf=+2工艺的激光焊搭接接头，根据GB/T2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》制备拉伸试样，在AG—X 100kN电子万能试验机上进行拉伸试验。搭接接头拉伸性能测试结果如表3所示，拉伸试样如图4所示。搭接接头的平均抗拉强度达到了136 MPa，均断裂在焊缝上。

4. 结语

（1）激光入射角度对薄板搭接焊缝成形影响较大，当90°时，焊缝成形饱满无凹陷和咬边缺陷。

（2）离焦量ΔZf对搭接焊缝尺寸影响较大，当离焦量ΔZf=+2时，焊缝尺寸最大为1.2 mm。

（3）采2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，离焦量ΔZf=+2工艺的搭接接头的抗拉强度为136MPa，均断裂在焊缝上。

[1] 陈彦宾. 现代激光焊接技术[M]. 北京：科学出版社，2005.