黑化處理對2A14鋁合金激光-TIG復合焊焊縫成形的影響

康澤軍　李先芬　陳　俊　許新猴　華　鵬　周　偉②

(①合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009；②新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院，新加坡 639798)

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黑化處理對2A14鋁合金激光-TIG復合焊焊縫成形的影響

康澤軍①李先芬①陳俊①許新猴①華鵬①周偉①②

(①合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009；②新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院，新加坡 639798)

為了提高鋁合金對激光的吸收率，改善焊縫表面成形質量，對3 mm厚的2A14鋁合金黑化后進行激光-TIG復合焊接實驗。黑化采用的是對激光具有較高吸收率的碳素墨汁，將其在焊接前涂覆于工件表面，然后施焊。對比研究了黑化處理對焊縫成形質量、顯微組織以及顯微硬度的影響，并改變黑化寬度進行分析。結果表明：黑化處理可以提高激光吸收率。但是黑化寬度的變化對焊縫成形的影響不大。

激光-TIG復合焊接；鋁合金；黑化；顯微組織；顯微硬度

鋁合金由于具有較高的比強度、優良的耐蝕性和良好的加工性能，已經成為重要的金屬結構材料，被廣泛地應用于航空、航天以及汽車、高鐵等行業。在航天工業中，鋁銅合金是宇宙飛行器結構件和運載火箭的重要材料[1-2]。目前，國內外高速列車車體主要采用大型鋁合金型材和板材焊接而成[3]。研究結果表明，鋁合金結構比鋼結構能減輕軌道車輛自重35%～66%，能分別增效和節能10%以上[4-5]。

激光電弧復合焊接通過激光與電弧的相互作用，避免了單一熱源焊接的缺陷，使得焊接過程的穩定性和焊縫成形得到顯著改善；同時大大降低了對坡口的準備和裝配精度的要求，提高了橋接能力。然而，鋁合金對激光的吸收率很低，表1所示為純鋁對不同激光的吸收率。金屬材料對激光的吸收率隨溫度升高而增大，當溫度升高到接近熔點時，吸收率可達到40%～50%[6-8]。金屬材料對激光的吸收率除受波長和溫度的影響外，還受其表面狀態的影響。為了提高金屬熱處理的光能利用率，經常采用在材料表面涂覆一層對激光吸收率較高的物質。在激光功率為150 W，掃描速度為10 mm/s時40鋼的表面涂覆0.15 mm厚的石墨層，對激光的吸收率達到0.63[6,9]。

表1鋁對不同波長激光的吸收[6]

材料(20℃)吸收率準分子(250nm)紅寶石(700nm)Nd:YAG(1060nm)CO2(10600nm)Al0.180.110.080.019

本文以2A14鋁合金為研究材料，采用碳素墨汁作為黑化處理的材料，分析了激光-TIG復合焊在不同黑化寬度的情況下對焊縫成形質量、顯微組織以及硬度的影響，為提高激光吸收率的研究提供指導。

1　實驗設備及方法

1.1實驗設備

本次實驗采用的激光焊接設備如圖1所示，激光波長λ=1.06 μm，最大輸出功率P0=1 kW，焦距f=120 mm，焦點光斑直徑D=0.6 mm。激光作用點與鎢極尖端的水平距離定義為熱源間距，設定熱源間距為1 mm。實驗采用的電弧焊接設備為直流電弧焊機WSM-400(PNE61-400P)，鎢極直徑為1.2 mm。

1.2實驗材料

實驗材料采用的是2A14鋁合金，熱處理狀態為退火態，屬于可熱處理強化鋁合金。實驗采用的鋁合金焊件的規格為：200 mm×100 mm×3 mm平板件。2A14的化學成分見表2。

表22A14鋁合金的化學成分(質量分數，%)

SiFeCuMnMgNiZnTiAl0.6～1.20.73.9～4.80.4～1.00.4～0.80.10.30.15余

1.3實驗方法

實驗前，先用丙酮清洗工件，然后用吹風機吹干。對工件進行焊前黑化處理，即在工件表面涂覆不同寬度的碳素墨汁，然后在烘干爐中進行低溫烘干。待烘干完成后進行激光-TIG復合焊接，具體參數如表3所示。焊接前黑化處理后的工件表面如圖2所示。實驗完成后，用砂紙打磨焊縫截面，然后用30%的NaOH溶液對截面進行宏觀腐蝕，直至出現焊縫輪廓，利用數碼相機對焊縫的熔深、熔寬進行拍照記錄。采用keller試劑對金相試樣進行腐蝕，其中keller試劑的具體配比為1 mlHF、2.5 mlHNO3、1.5 mlHCl、和95 mlH2O。采用光學金相顯微鏡進行微觀組織觀察和分析。采用MH-3顯微硬度計測定從焊縫至母材的顯微硬度變化，加載200 g，加載時間為10 s。

表32 A14鋁合金的焊接參數

編號脈寬/ms頻率/Hz焊速/(mm/min)氣流量/(L/min)離焦量/(mm)激光電流/A電弧電流/A黑化寬度/mm12.03030010-1100100022.03030010-1100100332.03030010-1100100542.03030010-11001007

2　實驗結果分析

2.1黑化處理對焊縫成形的影響

圖3所示為未黑化處理和黑化處理的焊縫形貌，1號為沒有進行黑化處理獲得的焊縫，3號為黑化處理5 mm獲得的焊縫。由圖3a可知，3號焊縫比1號焊縫寬，并且3號焊縫中間呈灰色，兩側呈黑色，而1號焊縫整體呈黑色。由圖3 b可知，黑化處理獲得的焊縫熔寬、熔深明顯大于未黑化處理的。表4為兩條焊縫的熔寬、熔深尺寸，由表直觀看出黑化處理可以增大熔深、熔寬。

表4焊縫的熔深、熔寬對比

編號熔深/mm熔寬/mm11.73.232.03.5

圖4所示為未黑化處理和黑化處理的熱影響區的顯微組織對比。未黑化處理的熱影響區晶粒生長方向明顯，并且尺寸較大，而黑化處理后晶粒生長方向不明顯，并且晶粒尺寸較小。

圖5所示為未黑化處理獲得的焊縫與黑化處理獲得的焊縫的顯微硬度的對比。本次焊接實驗采用的母材2A14為退火態，所以硬度的整體變化規律為硬度值沿著母材、熱影響區、焊縫的方向不斷增加。由圖可知，黑化處理獲得的焊縫中心和熱影響區的顯微硬度都略低于未黑化處理的焊縫中心和熱影響區。

2.2黑化寬度對焊縫成形的影響

由以上黑化處理和未黑化處理的焊縫成形對比分析，可知黑化處理可以提高激光的吸收率。為此進行深入研究，分析黑化寬度對焊縫成形的影響。

圖6所示的2、3、4號焊縫分別由黑化寬度3 mm、5 mm、7 mm時獲得。由圖6可知，隨著黑化寬度的增大，焊縫的寬度也逐漸增大，但焊縫寬度的增大幅度逐漸減小，并且3號焊縫的正面形貌是較好的。表5所示為不同黑化寬度下獲得的焊縫熔寬、熔深的尺寸對比。由表可知，隨著黑化寬度的增大，焊縫的熔深變化不大，而焊縫的熔寬會小幅度的增大。

表5不同黑化寬度的焊縫熔深、熔寬對比

編號熔深/mm熔寬/mm22.13.332.03.542.03.6

圖7所示為不同黑化寬度下的熱影響區的顯微組織。由圖對比可知，隨著黑化寬度的不斷增大，熱影響區的晶粒生長方向性逐漸不明顯。

圖8所示為焊縫的顯微硬度分布對比，由圖對比可知，隨著黑化寬度的增加，焊縫中心的寬度不斷增大，尤其是黑化寬度為7 mm時最寬，并且焊縫中心和熱影響區的平均硬度逐漸降低。

2.3黑化機理的分析

采用碳素墨汁實施黑化工藝，進行鋁合金的激光-電弧復合焊接過程中，碳素墨汁中的碳在一定程度上可以吸收激光，增加鋁合金對激光利用率。

在2A14的激光-TIG焊接過程中，黑化寬度的變化會影響激光的吸收率，從而影響焊縫的成形以及其力學性能。從焊縫的截面尺寸可以看出，黑化處理后的熔寬、熔深都增大，這說明黑化處理可以增加激光的吸收率，在焊接過程中提高能量的利用率。但是，隨著黑化寬度的增加，焊縫的熔深變化不大，而焊縫的熔寬會小幅度的增大。這是因為在激光焊接過程中，黑化寬度的增大，就會增大工件對能量吸收的有效面積，從而擴大了能量的吸收，但是多吸收的能量對工件的表面作用區域增大，導致獲得焊縫的熔寬增大，而熔深基本不變。

從焊接接頭顯微硬度分布規律可知，黑化處理獲得的焊縫的平均顯微硬度較低，進一步證實黑化增加了能量的利用率，導致焊縫的硬度下降。而隨著黑化寬度的增大，焊縫的平均顯微硬度逐漸小幅度降低。

基于以上分析，黑化處理在一定程度上可以增加材料對激光的吸收率，從而增加能量的利用率，最終可以實現低能量輸入的情況下獲得合格的焊縫。黑化的寬度對焊縫成形影響不明顯。隨著黑化寬度的增大，焊縫的熔寬會小幅度增大。綜合分析可知，黑化寬度為5 mm時獲得的焊縫成形最好。

3　結語

本文在對2A14鋁合金進行激光-TIG復合焊接實驗的基礎上，分析了不同黑化寬度對焊縫成形質量以及顯微組織的影響，并得出了以下結論：

(1)對3 mm厚的2A14鋁合金板材在激光-TIG復合焊接前進行黑化處理，可以提高鋁合金對激光的吸收率，從而增加能量的利用率。

(2)黑化寬度對焊縫的影響不明顯。隨著黑化寬度的增大，焊縫的熔寬有所增大，焊縫的硬度有所下降。進行黑化處理的較好寬度為5 mm，此時獲得焊縫成形較好。

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(編輯李靜)

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Effects of carbon ink on laser-TIG hybrid welding formation of 2A14 aluminum alloy

KANG Zejun①, LI Xianfen①, CHEN Jun①, XU Xinhou①, HUA Peng①, ZHOU Wei①②

(①School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, CHN; ②School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798)

In order to increase the absorption of energy and improve the weld appearance in hybrid welding of aluminum alloy, 3mm 2A14 aluminum alloy plate being blacked with different widths was welded by laser-TIG hybrid welding. The carbon ink was coated on the workpiece surface before welding. The effect of different black widths on weld bead appearance, microstructure and hardness distribution was studied. The experimental results show that the treatment covering the plate with carbon ink can improve the absorption of laser energy and increase the weld penetration. However, the change of the width of the black area has little effect on the weld formation.

laser-TIG hybrid welding; aluminum alloy; black; microstructure; micro-hardness

TG456.7

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.026

康澤軍，男，1991年生，碩士，研究方向為先進焊接技術(激光焊接)。

2016-01-26)

160837