激光清洗+激光焊接復合工藝制備6013T6鋁合金焊接接頭的組織與性能

魯炎卿 曹運成 林惠嫻 羅子藝

摘要：激光清洗是一種新型表面處理技術(shù)，其能夠在不損傷基體的前提下去除基體表面的污染物層。本文在焊接之前采用f=30 kHz，UP=UL=40 %時，P=5 W的激光清洗工藝參數(shù)對6013T6鋁合金試板表面進行了預處理，之后采用TrupmfTrudisk 10002碟片式激光器，激光焊接工藝參數(shù)為焊接功率2.85KW、焊接速度2.5 m/min、離焦量-1mm，制備了5mm厚的6013T6鋁合金單道次焊接接頭。采用掃描電子顯微鏡觀察了焊接接頭的顯微組織，利用顯微硬度計測定了焊接接頭的硬度分布曲線。結(jié)果表明，焊前預處理采用f=30 kHz，UP=UL=40 %時，P=5 W的激光清洗工藝，能夠有效地改進6013T6鋁合金大功率激光焊接的焊縫表面成形質(zhì)量、力學性能。

關(guān)鍵詞：激光清洗;6013T6鋁合金;顯微組織

ABSTRACT：Laser cleaning is a new surface treatment technology， which can remove the pollutant layer on the substrate surface without damaging the substrate. In this paper， the surface of 6013T6 aluminum alloy test plate was pretreated with F = 30 kHz， up = UL = 40% and P = 5 W laser cleaning process parameters before welding. Then， the single pass welded joint of 6013T6 aluminum alloy was prepared with trupmftrudisk 10002 disc laser. The laser welding process parameters were welding power 2.85 kW， welding speed 2.5 m / min and defocus - 1 mm. The microstructure of the sample was observed by scanning electron microscope， and the hardness distribution curve of the welded joint was measured by microhardness tester. The results show that the laser cleaning process with f = 30 kHz， UP = UL = 40% and P = 5 W can effectively improve the weld surface forming quality and mechanical properties of 6013T6 aluminum alloy high-power laser welding.

KEY WORDS：Laser cleaning; 6013T6aluminum alloy; Microstructure

隨著我國軌道交通運輸行業(yè)的迅速發(fā)展，在軌道交通、深海船舶和航空航天等行業(yè)的關(guān)鍵零部件上使用了大量的鋁合金材料[1-3]。鋁合金在存放過程中會形成一層氧化膜，其氧化膜不僅熔點硬度高，而且易吸收水分和吸附污物。在鋁合金焊接時，表面存在的氧化膜會對焊接質(zhì)量造成嚴重的影響。為了獲得高質(zhì)量的焊縫，在焊接前需要對鋁合金進行預處理，徹底地去除合金表面的氧化層和其他污染物。

常見的鋁合金預處理工藝方式主要是機械打磨和化學清洗[4]，但是這兩者已經(jīng)不能滿足技術(shù)高速進步下的現(xiàn)代工業(yè)對高質(zhì)量焊接的要求。激光清洗是一種新型表面處理技術(shù)，它能夠在不損傷基體的前提下對基體表面的污染物層進行掃描和去除。因此在歷史文物清洗[5]、航天和航海除漆[6， 7]與除銹[8-10]等領(lǐng)域中都得到了很好的運用。

激光清洗技術(shù)作為一種新興的表面預處理技術(shù)，在焊前處理等方面的應用引起了研究人員的廣泛關(guān)注。Wang等[11]通過對A3鋼表面銹層清洗后表面粗糙度，硬度和耐蝕性的研究，確認了激光清洗可用于除銹。解宇飛等[12]針對船舶板材提出了一種利用單線搭接掃描溝槽輪廓特征改善除銹工藝的方法。Lu等[13]對鋁合金基體上的涂料進行清洗，分析其表面粗糙度和耐腐蝕性，以研究激光與鋁合金基板上的涂料之間的相互作用機理。傅運香等[14]對不銹鋼焊縫進行了焊后激光清洗，試驗結(jié)果表明激光清洗能夠快速地清除焊縫的氧化色層及其表面的涂料油漆和銹蝕層，并且形成一層新的鈍化層。在目前的研究中，對激光清洗后鋁合金焊接接頭性能的研究較少，缺乏相關(guān)的焊接性能的測試結(jié)果。激光清洗后金屬材料表面形貌會有較大的改變，這是否會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響尚未有相關(guān)的文獻進行研究說明。由此可見，激光清洗對焊接接頭性能的影響規(guī)律需要深入的研究。

本文對6013T6鋁合金焊前進行了激光清洗預處理，對焊接未處理和焊接激光清洗兩種方式下鋁合金焊接接頭的組織，力學性能進行了對比分析。

1.試驗過程

1.1試驗材料

試驗材料選用由佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司研制的6013T6鋁合金板材，材料表面尺寸為200 mm×40 mm×5 mm，厚度為5 mm，化學成分如表1所示。6013T6是Al-Mg-Si鋁合金，具有優(yōu)秀的成形性能、耐蝕性和熱穩(wěn)定性，可替代2024和6061在飛機機體上的使用，在工業(yè)航空、軌道交通等各個方面也都具有重大的工業(yè)應用發(fā)展背景。

1.2試驗設(shè)備

試驗用的激光焊接設(shè)備主要由激光器、機器人手臂和控制箱三部分構(gòu)成。采用TrupmfTrudisk 10002碟片式激光器，最大輸出功率10000 W，光纖芯徑為400 μm，聚焦焦距為300 mm，激光頭準直焦距為200 mm，激光光斑直徑為0.6 mm。選用的激光清洗設(shè)備由激光系統(tǒng)、計算機、掃描振鏡和工作臺組成。波長λ=1064 nm，脈寬tp=10 μs，最大重復頻率f=100 kHz，最大功率P=20 W，光斑直徑設(shè)為D=50 μm。

1.3試驗方法

在激光焊接前，首先分析激光平均功率對6013T6鋁合金焊縫表面形貌和氧含量的影響規(guī)律，獲得鋁合金激光清洗最佳的工藝參數(shù)。然后采用激光清洗設(shè)備對6013T6鋁合金板材進行清洗，激光清洗的工藝參數(shù)為f=30 kHz，UP=UL=40 %時，P=5 W。在鋁合金激光清洗完成后8 h內(nèi)進行焊接。焊接接頭采用如下圖所示形式。實驗采用上保護氣為氬氣，氬氣+8%二氧化碳為下保護氣。焊接工藝參數(shù)為焊接功率3.5KW、焊接速度2.5 m/min、離焦量-1mm、上保護氣15 L/min、下保護氣20 L/min。

從鋁合金接頭中分別截取10 mm×6 mm×5 mm試樣，制備鋁合金金相樣品，用光學顯微鏡觀察激光焊焊縫組織。采用Wilson VH 1102顯微硬度計對鋁合金激光焊焊縫金相樣品進行硬度測試，分析組內(nèi)數(shù)據(jù)，進行焊前是否激光清洗預處理的硬度對比。拉伸性能的測試采用Cor-Force原位腐蝕試驗設(shè)備，參考國標GB/T228.1-2010對式樣進行測試，通過多次重復試驗獲得力學性能的平均值。

2結(jié)果與分析

2.1激光平均功率對鋁合金表面形貌和氧含量的影響

圖5是6013T6鋁合金激光清洗表面形貌SEM圖，由圖5（a）可知，激光清洗前，鋁合金的表面可以觀察到表面的氧化膜含有部分龜裂，還有一些不規(guī)則劃痕。由圖5（b）可知，P=5 W時，樣品表面出現(xiàn)清晰的激光光斑打在鋁合金表面的痕跡，顯露出部分鋁合金基體，說明部分氧化膜的去除。由圖5（c）可知，P=10 W時，鋁合金表面開始出現(xiàn)泡沫狀熔融形貌，這是因為能量較大，鋁合金表面的氧化膜去除，基體也被激光損傷。由圖5（d）和（e）可知，P=15 W和P=20 W時，出現(xiàn)了更多的泡沫狀形貌，由于能量過大，鋁合金基體受損，導致鋁合金表面呈現(xiàn)熔融形貌。隨著激光平均功率的增加，表面的光斑小坑呈現(xiàn)出碗狀，在小坑的周圍出現(xiàn)凸起，坑內(nèi)出現(xiàn)弧形條紋，試樣表面產(chǎn)生了波紋狀微溝槽織構(gòu)。

為了準確地分析鋁合金表面形貌的原因，對6013T6鋁合金表面進行 EDS檢測，得到鋁合金激光光斑作用坑底部的氧元素質(zhì)量分數(shù)。圖6為6013T6鋁合金表面的形貌和對應的能譜分析結(jié)果。圖7為6013T6鋁合金激光清洗后表面的氧元素含量變化圖。經(jīng)過激光清洗，鋁合金表面激光光斑作用坑底的氧元素質(zhì)量分數(shù)隨著激光功率的增加而減少，然后轉(zhuǎn)為增加。

無激光作用時，6013T6鋁合金的表面原始氧含量為5.40 %。激光作用于鋁合金表面時，隨著功率的增加，氧含量逐漸下降。P=5 W，6013T6表面氧含量達到最小值，下降至1.76 %。與原始表面相比，下降了67.4 %，說明有效地去除了鋁合金表面氧化膜。P=10 W，6013T6鋁合金的表面氧元素質(zhì)量分數(shù)上升至8.05 %。與原始表面相比，上升了49.07 %。P=15 W，6013T6鋁合金的表面氧元素質(zhì)量分數(shù)分別上升至12.11 %。與原始表面相比，6013T6鋁合金上升了1.24倍。P=20 W，6013T6鋁合金的表面氧元素質(zhì)量分數(shù)上升至15.85 %。與原始表面相比，上升了1.94倍。

激光作用下，激光功率由5 W上升到10 W時，激光功率增加了1倍，6013T6鋁合金表面氧元素含量卻增加了3.57倍。激光功率由5 W上升到15 W時，6013T6鋁合金表面氧含量卻增加了5.88倍。這表明能量一部分被表面氧化膜（Al2O3）吸收，去除表面材料，另一部分能量被基體吸收，當溫度達到鋁合金基體的熔點，基體受到二次氧化。通過分析鋁合金試樣氧含量的變化，得出最佳清洗參數(shù)：當f=30 kHz，UP=UL=40 %時，P=5 W.

2.2焊縫表面形貌分析和顯微組織

圖8是鋁合金焊縫表面形貌。圖8（a）中，6013T6鋁合金焊接前未清洗，焊接過程中不穩(wěn)定，焊縫有少量的咬邊和塌陷。由圖8（c）可知，焊縫上分布了少量氣孔。同時圖8（b）中，6013T6鋁合金焊接前通過激光清洗去除了表面大部分氧化膜，避免了二次氧化，減少了氫來源，焊縫光亮，成形致密，飛濺較少，只有少量咬邊和塌陷等缺陷，成形質(zhì)量好。由圖8（d）可知，焊縫基本沒有氣孔。因此可以得出結(jié)論，進行激光清洗預處理可以改善6013T6鋁合金焊縫表面成形質(zhì)量。

圖9為6013T6鋁合金焊接接頭組織圖，圖9（a）和（d）焊縫中心為等軸晶區(qū)，圖9（b）、（c）、（e）和（f）熔合線附近為柱狀晶區(qū)，但柱狀晶區(qū)較為明顯。在焊縫中心，由于界面前沿液體發(fā)生成分過冷，結(jié)晶形態(tài)向等軸晶發(fā)展。在熔池凝固過程中，柱狀晶垂直熔合線沿最大散熱方向反向生長。激光清洗后，由于去除了鋁合金表面氧化膜，減少了水分解對熔池的影響，使得熔池散熱更均勻，抑制了氣孔、咬邊和塌陷等缺陷的產(chǎn)生，激光清洗的6013T6鋁合金未造成組織轉(zhuǎn)變影響使用性能，且焊縫組織明顯細化。

2.2顯微硬度分析

圖10是6013T6鋁合金硬度變化曲線。從鋁合金焊接接頭硬度變化圖可以看出不做處理鋁合金焊縫的硬度值處于HV70～90，平均為HV80.27，焊前激光清洗預處理鋁合金的硬度值處于HV75～100，平均為HV85.53。清洗后的焊縫硬度得到了一定提升。這是因為激光清洗鋁合金表面氧化膜使得加工過程穩(wěn)定，避免氧化膜的分解使得熔池吸氫、吸氧，減小了形成氣孔、夾渣等缺陷的形成概率。激光清洗作為前置位加工，在深度方面的傳遞未造成下部組織和結(jié)構(gòu)的明顯改性，硬度值結(jié)果的穩(wěn)定證明了激光清洗工藝是有效且可靠的。

未清洗6013T6/激光清洗6013T6熱影響區(qū)硬度約為HV78/79.3875，焊縫硬度約為82.86/92.54。6013T6熱影響區(qū)硬度略高于焊縫硬度。激光清洗后焊接接頭硬度分布與不作焊前激光清洗預處理焊接接頭硬度相比，硬度分布及數(shù)值未見明顯減低，證明激光清洗未損傷焊接接頭硬度性能。激光清洗作為前置位加工，在深度方面的傳遞未造成下部組織和結(jié)構(gòu)的明顯改性，硬度值結(jié)果的穩(wěn)定證明了激光清洗工藝是有效且可靠的。

2.3拉伸性能分析

圖11是6013T6鋁合金應力-應變曲線，未清洗6013T6/激光清洗6013T6鋁合金的抗拉強度分別為163.24/225.85 MPa。氣孔缺陷的存在會減少接頭的受力面，在相同的載荷下，氣孔缺陷較多的試樣更容易發(fā)生斷裂，獲得較低的拉伸強度。激光清洗減少了焊縫中氣孔的產(chǎn)生，獲得良好的拉伸性能，提高了焊接接頭質(zhì)量。

3.總結(jié)

6013T6鋁合金焊前進行激光清洗減少了焊接過程中氫的來源，焊縫飛濺、塌陷等缺陷有所減少，有效改善了鋁合金焊縫表面成形質(zhì)量。觀察焊縫金相試樣微觀組織，焊前激光清洗使熔池凝固過程中散熱更均勻，焊縫組織明顯細化，未造成組織轉(zhuǎn)變影響使用性能。

進行硬度檢測和拉伸試驗，對未清洗和清洗的6013T6鋁合金焊接結(jié)果進行對比，激光清洗實現(xiàn)了氣孔缺陷的調(diào)控，激光清洗后鋁合金焊接接頭的平均硬度得到了一定提升，獲得良好的拉伸性能，提高了焊接接頭質(zhì)量。

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致謝：感謝佛山市核心技術(shù)攻關(guān)項目（1920001000409）對本研究的支持。