7075鋁合金激光焊焊接的研究

丁亞茹

(內蒙古機電職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

1 研究的目的及意義

7075鋁合金為Al-Zn-Mg-Cu合金，是一種超強鋁合金，具有強度高、剛度高、密度小、彈性模量低、抗腐蝕性能好、機械加工性能好、導電導熱性能好、無磁性、自然時效恢復強度能力強等優點，廣泛應用于航天、航空、交通運輸等領域[1]。鋁合金通常采用焊接方法成形，常用的焊接方法有攪拌摩擦焊、MIG焊、TIG焊、等離子焊、氬弧焊、激光焊等[2，3]。光纖激光焊接的熱源是高能量密度的激光束，對比其他幾種焊接方法，具有焊接速度快和熱影響區狹窄的特點，是鋁合金焊接的理想方法，被譽為21世紀焊接領域最有前景的先進連接技術，也是近10多年發展最快的焊接方法[4]。由于其易實現高精度焊接，對焊接環境要求較低，不受焊接尺寸與形狀的限制[5，6]，目前一些國家將激光焊運用在連接汽車結構、飛機結構和航天器等一些特種材料和微小接觸點，國內也將其成功地應用在客運飛機的制造上，激光焊接技術在汽車制造業中成為近年來的熱點[7]。

2 鋁合金激光焊的特點

激光焊分為激光熱導焊和激光深熔焊(小孔焊)，厚度<1 mm的儀器儀表、電池外殼、電子元器件等薄板、小工件的機密焊接加工使用激光熱導焊，而厚度>1 mm的7075鋁合金板則使用激光深熔焊。激光熔深焊是高功率密度的激光束導致材料局部熔化，形成“小孔”，激光束通過“小孔”進入熔池內部，金屬在小孔前方融化，熔融金屬繞過小孔流向后方重新凝固形成焊縫[8，9]。

焊縫成形有未熔透、僅熔池透、適度熔透(小孔穿透)、過熔透4種情況，適度熔透，即小孔穿透，焊接過程中小孔剛好穿透工件，Chao Meng 等人采用數值分析法研究發現小孔的穩定性受到反沖壓力和熔池液體流動的影響[10，11]，小孔內部的金屬蒸氣向工件下方噴出，產生反沖壓力使液態金屬向小孔四周流動，熔池背面寬度明顯增加，焊后形成背面熔寬均勻適度且無明顯堆高的焊縫形態，可通過優化焊接參數(焊接功率、焊接速度、保護氣體量和離焦量)得到較大的深寬比、較小的焊接面積，保證激光焊縫成形良好[12]。

激光深熔焊(小孔焊)焊接過程中，產生了“側壁聚焦效應”，當小孔形成后，進入小孔的激光束與小孔的側壁相互作用時，一部分光束被側壁吸收，另一部分光束被側壁面反射至小孔底部重新匯聚起來，激光束入射至材料深處不發生明顯發散，多次反射和聚焦在小孔底部保持小尺寸光斑，小孔不擴大，但深度不斷增大，最終獲得深而窄的焊縫[13]。因此，激光焊縫具有深寬比較大、熱影響區窄、焊縫強度高、焊接工藝穩定性良好的優點。

3 焊接參數對7075鋁合金焊接形貌的影響

為研究激光焊接參數對焊縫深寬、熱影響、焊接工藝穩定性的影響。采用3 mm厚7075-T6處理軋制態鋁合金板，成分如表1所示。

表1 7075鋁合金的化學成分

焊前準備，將鋁合金剪切為200×80 mm2的板材，去除剪切毛邊和板材表面產生的金屬毛刺，用砂紙、清理鋁合金板材表面去除氧化皮、油漬、水分等，使用吹風機對板材各方向進行吹干，停留短暫時間后進行光纖激光焊接。

(1)試件1 (2)試件3 (3)試件5 (4)試件8

表2 試驗方案及結果

7075鋁合金激光焊接過程中，焊接功率越大，焊接速度越慢，焊縫越易熔透，當焊接功率過大或者焊接速度小時，易出現過度熔透現象。激光焊焊縫表面存在著孔洞、駝峰、凹坑等焊接缺陷，焊接速度過大，焊接速度過慢都會導致熱輸入量過大，出現過焊的現象[14]。離焦量的大小直接影響焊接光斑直徑的大小，造成焊縫熔寬以及熱影響區變大。

4 7075鋁合金焊接接頭的組織及力學性能

對比7XXX鋁合金非熔化極惰性氣體鎢極保護焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護(MIG)等焊接方法，激光自熔焊縫強度雖然有所提高，但其焊接接頭軟化現象仍較為明顯，焊縫具有表面幾何不連續性、焊接裂紋、氣孔等缺陷，導致焊縫的表面耐磨性下降、疲勞壽命降低。

7XXX鋁合金激光焊接過程中，高熱量輸入形成焊接熔池溫度可達到2 500℃，而Zn、Mg的沸點只有907℃、1 107℃，焊縫成形過程中主要強化合金元素Zn和Mg發生嚴重燒損，通過固溶時效處理，可得到固溶時效強化相為η′(Mg2Zn)[15]，Zn、Mg元素的燒損會造成生成的強化析出相減少，所以焊縫相較母材的強度、硬度降低，進而導致耐磨性降低。

母材經過軋制-時效處理，其晶粒呈長條狀，激光焊后焊縫形成典型的鑄態組織，失去了變形鋁合金的時效或者冷作硬化效果。焊縫由較大的等軸晶組成并生成低熔點共晶相T相(Al-Zn-Mg-Cu相)。由于7XXX鋁合金激光焊焊接熔池較小，熔化后迅速冷卻，形成大量的鏈狀T相，此時的T相由于形貌和尺寸的原因對基體具有割裂作用，焊縫的強度、硬度、耐磨性會大幅度降低[16，17]。

鋁合金激光焊焊接過程中易產生氣孔，氫和水分的存在易在深熔小孔的尖端形成，不易溢出便形成了氣孔，在焊縫受到循環載荷的作用下成為裂紋源，使焊接接頭的疲勞壽命降低。焊縫表面呈魚鱗狀，表面粗糙度較大，具有明顯的幾何不連續性，且焊接過程中材料表面的氧化皮易形成夾渣，同時焊接前以及焊接過程中產生的約束應力、焊接熱應力、相變應力以及線膨脹系數最終形成了殘余應力，易產生變形和熱裂紋。作為結構材料使用時，焊縫受到循環載荷作用下，夾渣、幾何不連續性、熱裂紋、氣孔的存在便成了裂紋源之一，嚴重惡化了材料的疲勞性能。

5 結論

①7075鋁合金激光焊接過程中，焊接功率越大，焊接速度越慢，焊縫越易熔透，當焊接功率過大或者焊接速度小時，易出現過度熔透現象；②7075鋁合金激光焊后，焊接接頭的表面耐磨性、疲勞性能低于母材；③7075鋁合金激光焊焊接接頭存在著失強的現象。