厚板铝合金激光填碎丝焊接工艺研究

胡广胜 单清群 曹春鹏

摘要：采用激光填碎丝焊焊接厚板6005A铝合金，通过高速摄像仪观察并记录熔池波動状态，研究离焦量对激光填碎丝焊工艺的影响。结果表明，当离焦量为0时，光斑小，能量密度和冲击力大，剧烈反应的液态焊丝阻碍熔池中匙孔的稳定形成，使整个焊接过程不稳定，伴随着出现大量飞溅和周期性细孔。正离焦和负离焦均可以增大光斑直径，提高焊接过程的稳定性，且正离焦的效果优于负离焦，在激光填碎丝焊中宜采用正离焦。对于16 mm厚6005A铝合金，焊接速度6 mm/min、离焦量+5 mm、激光功率6 kW的激光填碎丝焊可以获得成形良好的焊缝;焊缝中心硬度值最低，为54 HV;由于焊缝中心气孔数量较多，焊接接头的抗拉强度为173.25 MPa。

关键词：厚板铝合金;激光填碎丝焊;离焦量;焊缝成形

中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）10-0040-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.08

0 前言

6XXX系铝合金因具有优良的导电性、耐蚀性，且工艺性能良好、密度小、质量轻、强度中等，可加工成各种型材，在轨道交通领域获得了广泛应用，成为车体轻量化应用最为广泛的有色金属材料[1-2]。随着铝合金车体中焊接结构件的要求日益严格，铝合金焊接技术成为现代焊接的研究热点[3-4]。填丝焊虽然能够通过焊丝加入合金成分[5-6]，但是在进行激光填丝焊的厚板对接时，由于焊缝坡口过深，为了填满焊缝需进行多道焊接，繁琐的操作工序不符合实际生产高效高质的原则，并且多层多道焊中多次热输入会加剧热变形，导致焊缝坡口尺寸变化，增大后续焊道的焊接难度[7-8]。为了减少或避免以上问题，引入一种在激光焊接过程中填入碎丝的新型填丝方法。文中通过改变厚板铝合金激光填碎丝焊焊接工艺参数，观察焊缝成形，研究离焦量对激光填碎丝焊焊接厚板6005A铝合金的影响，以优化焊接工艺。

1 试验材料与方法

试验用母材为16 mm厚6005A铝合金，是 Al-Mg-Si 系可热处理强化铝合金，供货状态为T6，化学成分如表1所示。所用焊丝为ER4047铝硅焊丝，直径1.2 mm，化学成分如表2所示。

激光填碎丝焊是将铝合金焊丝制成2 mm左右的圆柱形颗粒后填充到母材焊缝中，用单激光作为热源实现铝合金厚板的对接。试验方法如图1所示。试验所采用的激光发生器是10 000高功率光纤激光器，其最大功率为10 kW，利用CR5000X2高速摄像仪观察并记录熔池波动状态。

分别测试热影响区、母材和焊缝中心硬度，以判断材料的焊接性。利用自动维氏硬度测试仪测量焊接接头的显微硬度。试验过程中加载力300 gf，加载时间15 s，试验力的保持时间10 s，卸载时间为5 s，测试点间隔均为0.5 mm。

进行机械抛光后，利用Keller试剂（95 ml水+2.5 ml硝酸+1.5 ml盐酸+1 ml氟化氢）对金相表面进行10 s左右的腐蚀，观察焊缝截面形貌。

拉伸试验中拉伸速率选取5 mm/min，并观察焊接接头拉伸断口特征。

2 结果与讨论

试验采用单激光自熔焊打底，焊接工艺参数如表3所示，用激光填碎丝焊对坡口进行单道填充焊，焊接工艺参数如表4所示。该试验采用单一变量的方法，探究离焦量对激光填碎丝焊接过程的影响。

不同离焦量下碎丝熔化过程和焊缝成形如图2所示。由图2a可知，离焦量+8 mm时的焊缝表面成形平整良好，表面出现光滑规则的鱼鳞纹，飞溅小。但是存在明显的未熔合缺陷。原因是焊接过程中匙孔形成稳定，焊接过程稳定，焊缝成形较好，但是激光功率略小、离焦量过大导致激光能量密度分散，激光在熔化碎焊丝后没有足够的穿透力使母材熔化，从而导致未熔合缺陷出现。

由图2b可知，离焦量为0 mm的焊缝表面成形极差，并且有周期性的孔洞出现，如图中虚线圆圈标示，此焊接过程伴随着大量飞溅。原因是离焦量为0 mm时，光斑能量密度最大，高密度能量的光斑快速熔化碎丝后不断地冲击熔池，表面形成周期性的细孔，熔池中匙孔形成后被剧烈反应的液态金属封闭，导致大量飞溅的出现和焊接过程的不稳定。

由图2c可知，离焦量-12 mm的焊缝表面成形较差，也伴有少量细孔出现，如图2c中虚线圆圈标示。这是因为离焦量-12 mm下的激光光斑较大，能量密度不高，熔池反应不剧烈，焊接过程飞溅较小。

综上所述，离焦量对填碎丝焊接过程的焊丝熔化和熔池反应有较大影响。离焦量为零时，激光光斑小，激光能量密度高，冲击力强，剧烈反应的液态焊丝阻碍了熔池中匙孔的稳定形成，导致整个焊接过程不稳定，出现大量飞溅和周期性细孔。通过增大或减小离焦量，焊缝成形得到明显改善，且正离焦优化效果强于负离焦。

根据以上分析，设定了一个较优的激光碎丝焊工艺参数进行验证，如表5所示。优化后的碎丝熔化及焊缝宏观形貌如图3所示。

由图3可知，优化后的焊缝表面成形平整良好，出现光滑规则的鱼鳞纹。焊接过程中液态金属与母材熔合状态较好且无大量飞溅，此结果初步证明优化效果明显。

激光填碎丝焊缝截面如图4所示。可以看出，焊缝横截面比较对称，母材焊缝界限明显，熔合区清晰明显，焊接对接整齐、无错边，并且腐蚀后母材焊缝界限明显，熔合区清晰明显，说明焊缝母材熔合情况较为良好。但是有少量气孔出现，尺寸较小的圆亮球形气孔较多，且大多处于熔池上层。分析认为这些气孔形成于焊缝金属的凝固阶段，原因是氢在铝合金中的溶解度随温度的降低而减小。在液态熔池的凝固过程中，氢主要以氢分子的形态析出，但是铝合金激光焊熔池冷却速度快，凝固时间短，氢分子难以上浮出熔池，于是大量的氢以气泡形式残留在焊缝中，形成氢气孔。焊缝表面存在几个形状较不规则的大尺寸气孔，分析认为此类气孔属于工艺气孔，形成原因是间隙中填入的碎丝分布排列不均匀，碎丝之间的间隙中的空气没有及时浮出形成的。

焊接过程中受热循环的影响焊接接头不同區域有的强度和硬度不同。测量焊接接头焊缝中心、热影响区、母材的硬度分布，如图5所示。激光填碎丝焊焊缝中心处的硬度最低，且随着距焊缝中心距离的增大，硬度逐渐增大，在热影响区内距焊缝中心约1.5 mm处又降低，并逐渐减小至母材硬度。焊缝中心处硬度最低是因为在激光热源的直接作用下，焊缝中心处温度最高，构成强化相的Mg、Cu、Zn等元素的活性较大，在焊缝冷却过程中析出时，以极快的速度聚集长大，造成共格畸变减弱，对位错作用的阻碍减弱，导致中心处的硬度最低。

拉伸试验结果显示激光填碎丝焊接接头的抗拉强度为173.25 MPa，沿焊缝中心断裂，说明焊缝中心强度较其他区域弱，其主要原因是焊缝中心存在气孔，导致截面的有效承载面积减小，从而引起断裂。焊接接头的拉伸断口如图6所示。焊接接头中存在明显的大而深的韧窝，说明铝合金激光填碎丝焊接接头塑性良好，韧窝底部有少量的颗粒状夹杂物，如灰色箭头指向处。

3 结论

文中通过高速摄像观察并记录熔池波动状态，研究离焦量对激光填碎丝焊焊接厚板6005A铝合金的影响，得出以下结论：

（1）通过改变激光填碎丝焊中离焦量，发现离焦量为零时，激光光斑过大的能量密度和冲击力，剧烈反应的液态焊丝阻碍熔池中匙孔的稳定形成，使得整个焊接过程不稳定，并出现大量飞溅和周期性细孔。通过增大或减小离焦量，焊缝成形可得到明显改善，且正离焦优化效果强于负离焦，在激光填碎丝焊中宜采用正离焦。

（2）对于16 mm厚6005A铝合金，焊接速度为6 mm/min、离焦量为+5 mm、激光功率为6 kW的激光填碎丝焊可得到成形良好的焊缝。

（3）焊接接头焊缝中心硬度值最低，为54 HV;由于焊缝中心气孔数量较多，焊接接头的抗拉强度为173.25 MPa。

参考文献：

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