激光清洗对A5083-H111铝合金MIG焊力学性能的影响

郭志成 王秋影 秦文照

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心 山东 青岛 266111；2.中国铁路济南局集团有限公司青岛机车车辆监造项目部 山东 青岛 266111)

A5083-H111铝合金具有很高的强度重量比、良好的焊接性和良好的耐腐蚀性，在轨道交通行业得到了广泛的应用。铝合金主要作为焊接结构件使用，其表面存在着一层高熔点氧化膜，会阻碍焊接能量的传递，导致焊接稳定性变差，使焊缝内出现夹渣和气孔等焊接缺陷[1]。因此，焊接铝合金前需要进行焊前表面预处理。

常用的焊前预处理方法有机械刮削法和化学清洗法。机械刮削法操作简单，但是效率较低并且去除氧化膜效果较差。化学清洗法则容易对环境造成污染并且工序相对复杂。

目前，激光清洗是一种新兴的表面预处理方法。激光清洗具有清洁质量好、清洗效率高、基体损伤小、劳动强度低、适用对象广、不污染环境以及易实现自动化等优点[2]。研究表明，铝合金焊前激光清洗可改善焊缝成形[3]，减小焊接接头的气孔率[4]，减少接头内部缺陷，细化熔合区组织，提高接头力学性能[5]。

采用激光清洗进行A5083-H111铝合金MIG焊前和焊后的清洗，根据ISO 15614-2：2015《金属材料焊接工艺规程及评定》进行评价，分析激光清洗后的表面形貌及其对A5083-H111铝合金MIG焊力学性能的影响，对激光清洗在铝合金焊接中的应用研究和推广有很大的参考价值。

1 试验材料、设备和方法

1.1 试验材料

试验中采用A5083-H111铝合金板材为试验对象，厚度为14 mm，此试验用板材满足JIS H4100要求，化学成分及力学性能如表1、表2所示。

表1 A5083-H111铝合金各元素质量分数 /%

表2 A5083-H111铝合金力学性能

MIG焊填充材料采用进口ER5356焊丝，焊丝直径为ø1.6 mm，符合AWS A5.10标准要求，抗拉强度不低于275 MPa，焊丝化学成分如表3所示。

1.2 铝合金焊前和焊后激光清洗

采用1 064 nm波长的激光清洗器对铝合金进行焊前氧化膜的清洗和焊后黑灰清洗，输出功率为30 W，脉冲频率为100 kHz、 脉冲宽度为5 ns、 单脉冲能量为1 MJ。激光清洗所采用的激光的离焦量为零，光斑直径为50 μm，激光扫描宽度为40 mm。

表3 ER5356焊丝化学成分 /%

1.3 铝合金MIG焊

将采用激光清洗后的铝合金板放置8 h后进行焊接，采用MIG焊，铝合金板开60°的V型坡口，留3 mm钝边和1.6 mm间隙，焊接的工艺参数如表4所示。

表4 MIG焊接工艺表

2 试验结果

2.1 铝合金激光清洗后的形貌

激光清洗前后，在光学显微镜下观察到了如图1所示的铝合金表面形貌。激光清洗前，铝合金表面有许多斑状油污，可以观察到轧制过后的痕迹，表面还有一些不规则划痕。激光清洗后，表面的油污斑、轧制痕迹和划痕被激光剥离掉，表面有整齐的激光清洗条带状痕迹。

图1 铝合金表面形貌

激光清洗前后，铝合金表面3D形貌如图2所示，激光清洗前，铝合金表面的最大高度差值为41 μm，结合图1可知，凸起部分主要是油污，凹下部分主要是划痕；激光清洗后，铝合金表面的最大高度差值为18 μm，此时表面起伏较清洗前减小，且均匀性较好。可见，激光清洗可以降低铝合金表面的凹凸不平程度。

图2 铝合金表面3D形貌

2.2 焊后铝合金板激光清洗后宏观状态

MIG焊接完成后按ISO 17637：2016《焊缝的无损检验 熔焊接头的外观检验标准》进行焊缝外观检测，焊缝成形良好，表面无缺陷，焊缝外观符合标准规定。采用焊前激光清洗的相同工艺参数及流程对焊缝进行清洗，能够明显有效地去除焊后表面黑灰，如图3所示。

图3 焊后激光清洗铝合金焊缝周围的黑灰

2.3 焊后铝合金板激光清洗后无损检测结果

按ISO 17636：2013《焊缝无损检测—熔化焊接头射线检测》标准，对焊前焊后激光清洗的铝合金MIG接头进行X射线无损检测，焊缝无气孔、裂纹、未熔合等缺陷，达到ISO 17636：2013 B级标准，检测合格。

2.4 铝合金焊接接头力学性能检测

2.4.1拉伸试验结果

拉伸试验参照ISO 4136：2012《金属材料焊接的破坏试验—横向抗拉试验》标准进行，拉伸速率为2 mm/s，采用平滑试样，拉伸试验结果如表5所示。结果表明，焊前焊后激光清洗的铝合金MIG接头试样断于焊缝，屈服强度为164 MPa，抗拉强度为247.7 MPa，断后伸长率为9%，根据ISO 15614-2：2015进口ER5356焊丝重熔金属的抗拉强度为237 MPa，发现接头的抗拉强度高于重熔金属的抗拉强度，低于母材，约为母材的84.64%，断后伸长率也与母材接近。试验后，采用体视显微镜对拉伸断口进行观察，未见到明显解理界面，判断断裂形式为韧性断裂。

表5 拉伸试验数据

2.4.2冲击试验结果

冲击试验参照ISO 9016：2012《金属材料焊接破坏性试验—冲击试验—试样位置、缺口方位和检查》标准进行，冲击速度为5.2 m/s，焊前焊后激光清洗的铝合金MIG接头平均冲击试验数据为25.5 J，略优于母材。

2.4.3硬度试验结果

硬度试验采用HVS-30维氏硬度计，按照ISO 6507：2018《金属材料 维氏硬度试验》标准进行硬度试验，载荷为3 kg，载荷保持时间为10 s，测试点间距为1 mm，试验路径和结果如图4所示。焊前焊后激光清洗的铝合金MIG接头的硬度值在79.66～98.75 HV之间，与母材相差不大。

图4 硬度测试路径与结果

3 结论

激光清洗可去掉铝合金表面的油污、氧化膜和划痕等，且表面粗糙度减小。焊前清洗激光铝合金MIG接头表面成型良好，外观和内部均未发现明显缺陷，激光清洗有效去除焊后黑灰，拉伸、冲击和硬度等力学性能均满足相关标准。含焊前、焊后激光清洗工艺的整个焊接工艺满足ISO 15614-2工艺评定标准，激光清洗可以用于A5083-H111铝合金的焊前和焊后清洗。

目前受限于工艺理论研究和设备开发技术，焊前及焊后激光清洗尚未真正取代传统的清洗方法，随着科技的进步及环保要求的提高，激光清洗具有广泛的应用前景。