鋁合金薄板無氣體保護(hù)激光焊接組織與性能研究

■ 張鈞超，趙福城，孫巍，徐玉君

1. 概述

在焊接領(lǐng)域中，保護(hù)氣體對(duì)焊接過程和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。如在弧焊中，保護(hù)氣體可以有效避免焊接氣孔、提高焊縫質(zhì)量、避免材質(zhì)氧化、提高焊熔敷率、控制飛濺，以及減少焊后清渣、控制焊縫成形、減少過度焊接、提高焊接速度、控制焊接煙塵等作用。在激光焊接中，保護(hù)氣體作為一個(gè)影響激光焊接工藝特性的關(guān)鍵因素，可以通過稀釋金屬蒸氣和光致等離子體濃度抑制屏蔽效應(yīng)，提高激光吸收率，達(dá)到激光深熔焊的效果，進(jìn)而提高焊接工藝穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量；同時(shí)具有保護(hù)高溫區(qū)焊縫不被污染和氧化的作用，特別對(duì)于在高溫下化學(xué)性質(zhì)極其活潑的、易于氧化、易于電離的鋁合金類有色金屬材料的激光焊接，保護(hù)氣體對(duì)于保證焊接質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。但目前很少有關(guān)于無氣保護(hù)焊接方面研究的相關(guān)報(bào)道。

本文主要應(yīng)用激光焊接技術(shù)對(duì)1mm厚3A21鋁合金軋制板材進(jìn)行了有氣體保護(hù)和無氣體保護(hù)激光焊接對(duì)比試驗(yàn)，以及對(duì)焊縫成形的影響，并在工藝研究基礎(chǔ)上，借助光學(xué)顯微鏡、萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)有、無氣體保護(hù)3A21鋁合金激光焊接接頭進(jìn)行金相組織觀察和力學(xué)性能檢測(cè)，研究了有、無氣體保護(hù)對(duì)激光焊焊接鋁合金接頭組織和力學(xué)性能影響，為無氣體保護(hù)鋁合金薄板工藝開發(fā)提供參考。

2. 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?mm厚的3A21—O鋁合金軋制板材，尺寸規(guī)格為300mm×150mm×1mm。該合金屬于防銹鋁，不可熱處理強(qiáng)化，合金塑性較高但強(qiáng)度較低，常用冷加工方法提高其力學(xué)性能。此合金具有良好的加工性能、抗蝕性強(qiáng)、焊接性能好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)油箱、油路導(dǎo)管、燃料箱、薄板加工的各種壓力容器管道、薄板加工件、建筑加工件、各種燈具零部件及鉚釘線材等。3A21、3A21—O鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。

試驗(yàn)采用了由KUKA—KR90六軸工業(yè)機(jī)器人控制的激光焊接系統(tǒng)，其中包括德國(guó)TRUMPF生產(chǎn)的Trudisk 8002碟片式激光器，最大輸出功率8 k W；HIGHYAG BIMO激光焊接頭，焦距為310mm，激光通過芯徑200μm的光纖傳輸經(jīng)激光焊接頭聚焦后獲得最小光斑直徑為0.42mm，采用有、無氣體保護(hù)進(jìn)行1mm厚薄板3A21激光自熔焊接對(duì)比試驗(yàn)。

焊前，采用機(jī)械方法對(duì)坡口面及坡口兩側(cè)25mm范圍進(jìn)行表面清理去除表面氧化膜、油污等外來雜質(zhì)，同時(shí)增大了母材表面粗糙度，增加母材對(duì)激光的吸收率。激光焊接參數(shù)如表3所示。在工藝試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)有、無氣體保護(hù)的3A21鋁合金激光焊接試件進(jìn)行射線（RT）檢測(cè)，RT檢測(cè)后從兩試件上分別取樣，處理后進(jìn)行拉伸，并進(jìn)行宏觀及微觀組織形貌分析。

焊前進(jìn)行工藝優(yōu)化，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行射線（RT）檢測(cè)、金相組織觀察和力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)。

3. 試驗(yàn)結(jié)果

（1）焊縫成形 圖1和圖2為有、無氣體保護(hù)激光焊焊縫表面成形情況。由圖1、圖2可看出，有氣體保護(hù)的焊縫表面無明顯塌陷，焊縫正反面成形良好、均勻美觀。無氣體保護(hù)焊縫的表面焊縫寬度一致，較為均勻，正反表面較粗糙，正面存在有一定程度的塌陷和小凹坑。分析認(rèn)為，可能是由于在焊接過程中，熔池表面與空氣發(fā)生激烈反應(yīng)產(chǎn)生飛濺，導(dǎo)致表面塌陷或凹坑。氬氣保護(hù)有助于改善焊縫表面成形。

（2）射線檢測(cè)（RT） 圖3為有、無氣體保護(hù)激光焊接試件X射線底片。由圖3可看出，兩種焊接接頭均未見氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，焊接接頭質(zhì)量符合ISO13919.2 B級(jí)要求。說明對(duì)于鋁合金薄板激光焊時(shí)，可以不采取氣體防護(hù)。

（3）金相組織 圖4為3A21鋁合金焊接接頭的顯微組織。圖4a和圖4b為3A21鋁合金有無氣體保護(hù)焊縫顯微組織，二者無明顯差別，均為典型的鑄造態(tài)組織。鋁合金激光焊加熱時(shí)，焊縫處的溫度高達(dá)2000℃，熔池在經(jīng)歷了一系列化學(xué)冶金反應(yīng)后，隨著熱源的遠(yuǎn)離溫度迅速下降，凝固后成為牢固的焊縫。由于鋁合金激光焊熔池非常小，鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)較大，熔池經(jīng)歷快速加熱和快速冷卻結(jié)晶過程，形成了典型的急冷鑄態(tài)細(xì)小的結(jié)晶組織。熔合區(qū)溫度梯度較大，沿著散熱較快方向的反向晶粒長(zhǎng)大速度較快，即借助半熔化的晶粒形核，沿垂直于熔合線方向發(fā)生聯(lián)生柱狀晶粒生長(zhǎng)，且在靠近熔合線母材一側(cè)較窄區(qū)域內(nèi)發(fā)生再結(jié)晶，熱影響區(qū)晶粒無明顯長(zhǎng)大。圖4c和圖4d為有、無氣體保護(hù)的熔合區(qū)組織，二者同樣無明顯區(qū)別。

圖1 3A21激光焊接有氣體保護(hù)焊縫宏觀形貌

圖2 3A21激光焊接無氣體保護(hù)焊縫宏觀形貌

圖3 3A21鋁合金激光焊接試件X射線底片

表1 3A21鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%)

表2 3A21—O鋁合金力學(xué)性

表3 激光焊接參數(shù)

（4）焊接接頭力學(xué)性能 表4為3A21鋁合金焊接接頭的常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果（見圖5）。由表4可知，有氣體保護(hù)激光焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度為117MPa，無氣體保護(hù)激光焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度為118MPa，二者接頭強(qiáng)度相當(dāng)，都能達(dá)到母材強(qiáng)度的77%，抗拉強(qiáng)度明顯均低于母材抗拉強(qiáng)度；有氣體保護(hù)的接頭斷裂在熱影響區(qū)，而無氣體保護(hù)焊接接頭在熔合線處斷裂，分析認(rèn)為，造成這一結(jié)果的原因可能是焊縫表面存在咬邊，造成熔合線處產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖4 焊接頭金相組織

圖5 3A21鋁合金激光焊接接頭拉伸斷裂試樣

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4. 結(jié)語

（1）采用激光焊接3A21薄板鋁合金時(shí)，氬氣保護(hù)焊縫成形均勻美觀，無氣體保護(hù)焊縫成形略差，氣體保護(hù)有助于改善焊縫表面成形。有、無氬氣保護(hù)激光焊接都可獲得內(nèi)部無缺陷接頭，二者接頭強(qiáng)度相當(dāng)，都能達(dá)到母材強(qiáng)度的77%。

（2）3A21鋁合金激光焊接接頭焊縫區(qū)為典型的極冷鑄造態(tài)組織，熔合區(qū)為聯(lián)生柱狀晶組織，靠近熔合線母材側(cè)發(fā)生小區(qū)域再結(jié)晶，熱影響區(qū)晶粒無明顯長(zhǎng)大。

（3）激光焊接鋁合金薄板，如對(duì)表面要求不高，無氣體保護(hù)激光焊接工藝將是更經(jīng)濟(jì)、更易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)應(yīng)用的一種工藝方法。

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