車用5052鋁合金薄板激光搭接焊工藝研究

■ 郭廷凱，孫巍，張鈞超，韋寶權

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1. 概述

5052鋁合金具有中等強度，因耐腐蝕性好，良好的成形性而被廣泛應用于車身上的鈑金沖壓件，是實現汽車輕量化的有效途徑，對于節能減排具有重要意義。由于鋁合金焊接存在焊接變形大、熱影響區軟化等問題，故對焊接方法提出了較嚴格的要求。激光焊接具有能量密度集中、焊接變形小、低熱輸入量、焊縫質量高和高效率等特點，是解決鋁合金焊接的完美方案。本文對5052鋁合金薄板激光搭接進行了焊接工藝和性能的研究，為生產提供了技術支持。

2. 試驗材料及試驗方法

（1）試驗材料 試驗母材為1.2mm厚的5052—H32鋁合金延壓板材，試板尺寸為100mm×50mm×1.2mm，化學成分和力學性能如表1和表2所示。

（2）焊接設備 試驗采用德國通快Trudisk 8002碟片式激光器， HIGHYAG BIMO激光頭，通快直徑200μm光纖的激光加工系統，系統最大輸出功率8000W，波長1060mm，工作距離313mm，最小光斑直徑0.42mm。采用KUKA KR90六軸機器人作為激光加工系統載體進行焊接過程，采用純氬氣進行保護，焊前清理坡口面和坡口兩側25mm范圍內的氧化膜、油污、雜質等外來物。

3. 試驗結果分析

（1）激光入射角度對焊縫成形的影響 激光搭接焊時，沿橫向的激光入射角度θ對焊縫表面成形影響較大，激光入射角度如圖1所示。同時由于鋁合金對激光反射率較高，為保護激光頭光學系統，沿焊縫縱向設定偏移3°～10°。采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，離焦量ΔZf=0時，分別設定激光入射角度為45°、90° 和135°進行焊接，不同激光入射角度的焊縫成形如圖2所示。由圖2可以看出，當激光入射角度為90°時焊縫飽滿成形良好，無咬邊、內凹等缺陷；當入射角度為45°時焊縫凹陷，存在咬邊缺陷；當入射角度為135°時，上板母材熔化，但下板母材并未熔化，焊縫不成形。分析認為，當入射角度90°時，上板材料熔化成為焊縫，使得焊縫飽滿無咬邊等缺陷。

表1 5052—H32鋁合金化學成分（質量分數） （%）

表2 5052—H32鋁合金力學性能

圖1 激光入射角度示意

（2）離焦量對焊縫尺寸的影響 在激光加工系統固定時，不同的離焦量將會產生不同尺寸的光斑直徑。采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，分別設定離焦量ΔZf=-2，0，+2工藝進行焊接。采用10%氫氧化鈉溶液對焊接試樣截面進行腐蝕，搭接接頭宏觀金相和焊縫尺寸如圖3所示。從圖3可以看出，離焦量為ΔZf=-2，0，+2時，搭接焊縫的焊縫厚度a值分別約為1.0mm、1.2mm，0.9mm，ΔZf=+2離焦量時焊縫尺寸最大，焊縫截面積最大。分析認為當ΔZf=0時，光斑直徑最小為0.42mm，當ΔZf=-2和+2時，光斑直徑相同且＞0.42mm，更大的光斑直徑會熔化更多的母材，使焊縫尺寸和截面積增大。但當ΔZf=-2和+2時，光斑相對于加工面的位置是不同的。當ΔZf=+2時光斑直接作用在上板，更有利于熱的傳導使得上板熔化變成焊縫的一部分，搭接接頭焊縫尺寸最大。

圖2 不同入射角度時焊縫成形

圖3 不同離焦量時焊縫成形

表3 拉伸試驗結果

圖4 拉伸試樣

（3）搭接接頭力學性能 對采用功率2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，離焦量ΔZf=+2工藝的激光焊搭接接頭，根據GB/T2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》制備拉伸試樣，在AG—X 100kN電子萬能試驗機上進行拉伸試驗。搭接接頭拉伸性能測試結果如表3所示，拉伸試樣如圖4所示。搭接接頭的平均抗拉強度達到了136 MPa，均斷裂在焊縫上。

4. 結語

（1）激光入射角度對薄板搭接焊縫成形影響較大，當90°時，焊縫成形飽滿無凹陷和咬邊缺陷。

（2）離焦量ΔZf對搭接焊縫尺寸影響較大，當離焦量ΔZf=+2時，焊縫尺寸最大為1.2 mm。

（3）采2.3kW，焊接速度3.6m/min，激光入射角度90°，離焦量ΔZf=+2工藝的搭接接頭的抗拉強度為136MPa，均斷裂在焊縫上。

[1] 陳彥賓. 現代激光焊接技術[M]. 北京：科學出版社，2005.