黑化及加TiC粉對鋁合金焊接成形影響的對比研究

康澤軍，李先芬，陳 俊，許新猴，周 偉,2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥230009；2.新加坡南洋理工大學(xué) 機(jī)械與宇航工程學(xué)院，新加坡639798）

黑化及加TiC粉對鋁合金焊接成形影響的對比研究

康澤軍1，李先芬1，陳 俊1，許新猴1，周 偉1,2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥230009；2.新加坡南洋理工大學(xué) 機(jī)械與宇航工程學(xué)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，對3 mm厚的2A14鋁合金黑化或加粉后進(jìn)行激光TIG復(fù)合焊接試驗(yàn)。黑化采用的是對激光具有較高吸收率的碳素墨汁，加粉是添加適量TiC粉末，并分別將兩者涂覆于工件表面，然后施焊。對比研究了黑化處理和加粉處理對焊縫成形質(zhì)量、顯微組織以及顯微硬度的影響。結(jié)果表明，黑化處理后激光吸收率的提高效果優(yōu)于加粉處理。

焊接；激光-TIG復(fù)合焊接；鋁合金；黑化；TiC；顯微組織；顯微硬度

1 概 述

鋁合金因其質(zhì)量輕、無磁性，具有較高的熱導(dǎo)率和比強(qiáng)度，以及優(yōu)良的耐蝕性和良好的加工性能，已經(jīng)成為重要的金屬結(jié)構(gòu)材料被廣泛地應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品中。采用鋁合金代替鋼板材料焊接，結(jié)構(gòu)質(zhì)量可減少50%以上[1-3]。

激光焊接是以激光為熱源的焊接[4]。由于傳統(tǒng)焊接鋁合金的方法會(huì)導(dǎo)致焊接后翹曲變形和接頭軟化等問題[5-6]，采用激光電弧復(fù)合的方法焊接鋁合金的工藝被廣泛研究。然而，鋁合金對激光的吸收率偏低。純鋁對不同激光的吸收率見表1。金屬材料對激光的吸收率隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度升高到接近熔點(diǎn)時(shí)，吸收率可達(dá)到40%～50%[7-9]。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(tài)的影響。為了提高金屬熱處理的光能利用率，經(jīng)常采用在材料表面涂覆一層對激光吸收率較高的物質(zhì)。孫福娟等人研究發(fā)現(xiàn)，激光焊接LY12CZ鋁合金時(shí)，焊前對試樣表面黑化處理可以改善激光的吸收率[10]。在激光功率為150 W，掃描速度為10 mm/s時(shí)，40鋼的表面涂覆不同涂層時(shí)對激光的吸收率見表2[7,11]。此外，TiC顆粒具有高熔點(diǎn)、熱穩(wěn)定性、高硬度、高彈性模量、較高抗彎強(qiáng)度及與Al基體相容性好等優(yōu)點(diǎn)，對鋁合金來說是理想的增強(qiáng)材料[12]。

表1 20℃時(shí)Al對不同波長激光的吸收率[7]

表2 不同涂層對激光的吸收率[7]

本研究以2A14鋁合金為材料，采用碳素墨汁作為黑化處理材料，TiC粉末作為加粉材料，對比分析了激光－TIG復(fù)合焊在黑化和加粉的情況下對焊縫成形質(zhì)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(dǎo)。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用LWS－1000型Nd：YAG激光焊機(jī)，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(diǎn)光斑直徑D=0.6 mm。激光作用點(diǎn)與鎢極尖端的水平距離定義為熱源間距，其值為1 mm。試驗(yàn)采用直流電弧焊機(jī) WSM－400（PNE61－400P）焊接， 鎢極直徑為1.2 mm。

圖1 LWS－1000型Nd：YAG激光焊機(jī)

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用2A14鋁合金，熱處理狀態(tài)為退火態(tài)，屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金。焊件規(guī)格為200 mm×100 mm×3 mm平板。其化學(xué)成分見表3。

表3 2A14鋁合金化學(xué)成分

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，先用丙酮清洗焊件，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干。對焊件進(jìn)行焊前處理，黑化處理是在焊件表面涂覆一層寬為0.5 mm的碳素墨汁；加粉處理是在焊件表面涂覆事先用酒精混合好的TiC糊狀物，保證涂覆處的寬度也為0.5 mm。然后在烘干爐中進(jìn)行低溫烘干。待烘干完成后進(jìn)行激光－TIG復(fù)合焊接。焊接參數(shù)為：脈寬2.0 mm，頻率30 Hz，焊接速度600 mm/min，氣流量 10 L/min，離焦量－1 mm，激光電流100 A，電弧電流100 A。1#試樣不做處理，2#試樣黑化處理，3#試樣TiC處理。

焊前黑化和加粉處理后的焊件表面如圖2所示。試驗(yàn)完成后，用砂紙打磨焊縫截面，然后用30%的NaOH溶液對截面進(jìn)行宏觀腐蝕，直至出現(xiàn)焊縫輪廓；利用數(shù)碼相機(jī)對焊縫的熔深和熔寬進(jìn)行拍照記錄。采用keller試劑腐蝕金相試樣，其keller試劑的具體配比為 1 mL HF、2.5 mL HNO3、1.5 mL HCl和95 mL H2O。采用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察和分析。采用MH－3L顯微硬度計(jì)測定從焊縫至母材的顯微硬度，加載200 g，加載時(shí)間10 s。

圖2 處理前、后的焊件表面

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同處理方式對焊縫成形的影響

圖3所示分別為不同處理方式獲得的焊縫正面形貌和截面圖。 圖3（a）中1#試樣為沒有進(jìn)行任何處理獲得的焊縫，2#試樣為黑化處理獲得的焊縫，3#試樣為加TiC處理獲得的焊縫。由圖3（a）可知，3#試樣焊縫中間存在一條細(xì)窄縫，兩側(cè)呈黑色。圖3（b）所示為3種試樣焊縫的截面圖。由圖3（b）可知，黑化處理獲得的焊縫熔寬和熔深明顯大于未處理的焊件，而加TiC處理獲得的焊縫熔深略大于未處理的焊件，熔寬基本相當(dāng)。表4為兩條焊縫的熔寬和熔深尺寸對比。由表4可以看出，黑化處理可以明顯增大熔深，而加TiC處理對熔深增加的效果不明顯。

圖3 不同處理方式獲得焊縫的形貌

表4 3種試樣焊縫熔深和熔寬對比

3.2 不同處理方式對焊縫顯微組織的影響

圖4所示為不同處理方式獲得焊縫中心的顯微組織。由圖4可以看出，焊縫中心組織為均勻分布的等軸晶組織，與1#試樣焊縫相比，2#試樣焊縫的晶粒較粗大，而3#試樣焊縫的晶粒大小不一，比較雜亂。

圖4 不同處理方式獲得的焊縫中心顯微組織

不同處理方式獲得的焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織如圖5所示。由圖5可看出，熱影響區(qū)晶粒粗化明顯，與1#試樣接頭的熱影響區(qū)相比較，2#和3#試樣的熱影響區(qū)的晶粒較粗大，從圖5（c）可看出，右下方存在未熔化的TiC顆粒。

3.3 不同處理方式對焊接接頭顯微硬度的影響

圖6所示為不同處理方式獲得焊接接頭的顯微硬度分布圖。本次試驗(yàn)采用2A14母材為退火態(tài)，其硬度值沿著母材、熱影響區(qū)、焊縫的方向逐漸增加。由圖6可知，黑化處理獲得的焊縫中心和熱影響區(qū)的顯微硬度都低于未處理的焊件，而加TiC粉獲得的焊縫中心和熱影響區(qū)的顯微硬度高于未處理的焊件。

圖5 不同處理方式獲得的焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織

圖6 不同處理方式獲得焊接接頭的顯微硬度

3.4 黑化處理和加TiC粉處理對比分析

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，黑化處理后熔深增大，焊縫平均顯微硬度較低，說明黑化處理可以增加激光的吸收率，進(jìn)而提高能量的利用率。

添加TiC粉的處理方法也能增加焊縫熔深，但與黑化處理相比，熔深的增加效果不顯著。加TiC粉獲得的焊縫中心和熱影響區(qū)的顯微硬度最高，其原因有兩點(diǎn)：①TiC粉末在焊件表面的涂覆雖然能增加材料對激光的吸收率，但是部分能量被用來熔化TiC粉末，減少了作用在焊件上的熱量；②TiC粉末在激光的高能量作用下，部分粉末熔入焊縫，從而提高了焊縫的顯微硬度。

4 結(jié) 論

（1）對3 mm厚的2A14鋁合金板材在激光－TIG復(fù)合焊接前進(jìn)行黑化處理或加TiC粉處理，都可以提高鋁合金對激光的吸收率。但是，黑化處理提高激光吸收率的效果大于加粉處理。

（2）加TiC粉獲得焊接接頭的顯微硬度較高，這種方法獲得的焊縫中還存在少量未熔化的TiC顆粒，可能會(huì)作為焊縫的強(qiáng)化相存在。

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Comparative Study on the Influence of Blackening and Adding TiC Powder on Aluminum Alloy Welding Forming

KANG Zejun1， LI Xianfen1， CHEN Jun1， XU Xinhou1， ZHOU Wei1,2
（1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China；2.School of Mechanical and Aerospace Engineering,Nanyang Technological University,Singapore 639798,Singapore）

In order to increase the laser absorptivity of aluminum alloy and improve the weld surface forming,the 3 mm thickness 2A14 aluminum alloy plate was blackened or adding powder,and then carried out laser TIG composite welding test.Blackening adopted high laser absorptivity carbon ink,while adding powder was to proper adding TiC powder,both the blackening and adding powder were coated on workpiece surface and then welding.In this article,the influence of blackening and adding powder on weld forming quality,microstructure and microhardness was comparatively studied.The experimental results showed that the laser absorptivity of blackening is better than that of adding TiC powder.

welding;laser-TIG composite welding;aluminum alloy;blackening;TiC;microstructure;microhardness

TG456.7

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.001

康澤軍（1991—），男，碩士研究生，主要從事焊接技術(shù)（激光焊接）及工藝研究工作。

2016－03－17

李紅麗