三明治鋁合金結構激光焊接工藝研究

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( 1.河北大學 黨政辦，河北 保定 071002;2. 石家莊鐵道大學 材料科學與工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引言

全焊接三明治鋁合金是一種由上下兩層薄鋁面板與中間的鋁芯板通過焊接而形成的新型夾芯式結構，上下兩塊面板承載彎曲和面內(nèi)荷載，中間芯板承受剪切載荷，具有高強度和高剛度，因而在船舶、飛機、列車、汽車等行業(yè)得到了廣泛的關注[1-2]。

由于三明治鋁合金的面板及芯板的厚度較薄，傳統(tǒng)的MIG焊熱影響區(qū)大、熱變形大，無法滿足要求[2]。激光焊具有焊接速度快、焊接變形小的優(yōu)點恰好可以應用于此類結構[3]。英國焊接研究所采用激光電弧復合焊為日本高鐵制造商開發(fā)出了高速列車三明治鋁合金車墻板結構，實現(xiàn)了鋁合金板各種接頭的焊接[2]。本研究以中低速磁懸浮列車三明治鋁合金車體為研究對象，相比于高速列車，板材厚度僅為1.5 mm，車身長達10多米，激光電弧復合焊引起的變形也不可忽視。為此，采用純激光焊對WEB-CORE形式的三明治鋁合金結構進行焊接工藝實驗。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗所用材料為6082鋁合金，供貨狀態(tài)為T6，主要化學成分如表1所示。試驗中每塊T接6082鋁合金板的尺寸為120 mm×60 mm×1.5 mm。

表1 6082鋁合金化學成分質量分數(shù) wt%

1.2 試驗方法

在焊接前對鋁合金進行化學清洗：用10%的NaOH溶液浸泡，清水沖洗，之后用30%的HNO3溶液進行中和清洗。取出板材，再次用清水沖洗2～3 min，丙酮擦拭，用吹風機冷風吹干，密封保存。

激光器選用美國IPG公司生產(chǎn)的YLS-4000型光纖激光器作為能量輸出裝置，最大輸出功率為4 300 W，機器人手臂選用的是德國KUKA公司生產(chǎn)的KUKA-3HA型機器人。保護氣體為99.999%氬氣。焊后沿焊縫橫截面制備金相試樣，經(jīng)打磨拋光后用腐蝕液進行宏觀形貌和微觀組織分析，腐蝕液為：4 mL氫氟酸(HF)+ 10 mL濃硝酸(HNO3)+ 6 mL濃鹽酸(HCl)+ 190 mL蒸餾水，腐蝕時間為15 s。使用GX51型奧林巴斯顯微鏡觀察顯微組織；使用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計對焊接接頭進行顯微硬度測試，施載力為100 g。

圖1 固定裝置

2 試驗內(nèi)容

2.1 焊接工裝的設計

本試驗的試樣為T型結構，由3塊鋁合金板組成，所焊部位為上面兩塊鋁板的對接部分。面板水平放置，芯板垂直于面板固定以及三板緊密對接成為新的問題。此外，進行工字型焊接(反焊)及目字型擴展焊接工裝設計，才真正實現(xiàn)“三明治鋁合金結構”要求。經(jīng)過反復思考，更改工裝圖形，設計出的固定裝置如圖1所示。

本裝置設計綜合考慮了焊接位置需求、耐熱高強、使用壽命及經(jīng)濟要求，有如下特點:(1)能滿足正反焊接，預留焊縫區(qū)域充足；(2)對于封閉空間，可方便固定拆卸；(3)為避免板件加工誤差，面板、芯板均可在一定范圍內(nèi)調解固定；(4)材料強度高，耐熱并方便鋁板散熱，平整美觀，價格適當，方便組裝；(5)裝置方便移動，小巧多功能；(6)不僅適用于120×60×1.5鋁合金板件，還適用于能三維方向適當擴大及縮小的板件。

2.2 焊接工藝試驗

在焊接速度為35 mm/s、離焦量0 mm、保護氣體流量15 L/min時，首先進行了激光功率為2 000 W、2 500 W、3 000 W、3 500 W的焊接試驗。然后，在激光功率為3 000 W、離焦量0 mm、保護氣體流量15 L/min時，進行了焊接速度從40 mm/s到70 mm/s的焊接試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 不同激光功率下焊縫形狀及微觀組織分析

圖2為不同激光功率焊接三明治鋁合金結構的焊縫形貌。當激光功率為2 000 W時，表面平整光滑，無魚鱗狀波紋，但面板與芯板未焊接在一起。當激光功率為2 500 W時，此時熱輸入可以焊透1.5 mm厚的母材并與芯板焊接在一起，焊縫表面光滑，魚鱗狀波紋連續(xù)美觀。當激光功率為3 000 W時，熔寬和熔深逐漸增加，同時飛濺物也開始變多，焊件的反面出現(xiàn)部分塌陷。當激光功率為3 500 W時，飛濺嚴重，焊接過程不穩(wěn)定，焊縫表面成形粗糙，母材多處被燒穿，塌陷嚴重。

圖2 不同激光功率的焊縫形貌

激光焊接鋁合金時，熱量輸入比較快，冷卻所用時間也短，相當于空冷淬火，從而使焊縫中晶粒得到細化，晶界增多，析出相較少，來不及長大，彌散地分布在晶界和晶粒中[4]。從焊縫中心到融合線再到熱影響區(qū)，晶粒的成長具有各向異性，這是由溫度梯度大小決定的。當焊縫結晶時，由于熔合線附近的溫度梯度較大，從而形成粗大的柱狀晶。而焊縫中心區(qū)域溫度梯度較小，形成均勻細密的等軸晶和樹枝晶的混合區(qū)，局部有團簇細小的樹枝晶團，而黑色組織為Mg2Si強化相[5]。圖3為激光功率為2 500 W和3 000 W的T型焊縫截面及微觀組織。

圖3 不同焊接功率下焊縫形貌及微觀組織

3.2 不同焊接速度下焊縫形狀及微觀組織分析

當激光功率為2 500 W時，焊縫美觀，飛濺小，并且塌陷較淺，因此，選擇在該功率下進行不同焊接速度的試驗。當焊接速度為25 mm/s時，能量過高，變形增大，焊縫表面成形粗糙，飛濺顆粒大，母材部分燒穿，塌陷嚴重，熔寬較大；焊接速度為35 mm/s時，焊縫表面魚鱗狀波紋整齊連續(xù)，飛濺物較少，塌陷?。划敽附铀俣葹?5 mm/s時，熱輸入較小，焊縫表面連續(xù)平整光滑但焊縫不連續(xù)。圖4為不同焊接速度下的焊縫正面形貌。

圖4 不同焊接速度下的焊縫正面形貌

焊接速度越大，晶粒主軸的成長方向越垂直于焊縫的中心線；相反，焊接速度越小時，晶粒主軸的成長方向越彎曲。當焊接速度為25 mm/s時，能量密度過高，熔寬較大，熔池深度較大，T型焊縫深度和寬度都較大，存在較多的夾雜；焊接速度為35 mm/s時，能量密度適中，熔寬、熔池深度足以保證焊接牢固，且組織內(nèi)部缺陷較少，有利于發(fā)揮T型結構的優(yōu)點；當焊接速度為45 mm/s時，能量密度較小，熔寬較大，熔池深度較小，焊縫不連續(xù)，結構不能保證使用要求，結晶速度過快，導致微觀組織中存在較多的氣孔和裂縫[6]。圖5為不同焊接速度下的T型焊縫截面及顯微組織。

圖5 不同焊接速度下的T型焊縫及顯微組織

3.3 焊接接頭拉伸性能分析

焊接速度分別是25 mm/s、35 mm/s、45 mm/s試驗條件下得到的三明治鋁合金結構進行切割，得到T型焊接結構試樣進行拉伸試驗，試樣長120 mm，高60 mm，寬25 mm，厚度為2 mm，拉伸試樣如圖6所示。

圖6 T型焊接接頭結構

為避免試驗數(shù)據(jù)的隨機誤差，因此在不同試驗條件下各選擇3個T型接頭結構進行拉伸，得到各組拉伸試驗結果見表2。

表2 不同速度下焊接接頭拉伸試驗結果

焊接之后的試樣接頭應該滿足GB15614-2—2005的規(guī)范，實際抗拉強度

Rm(w)=Rm(pm)xT

(1)

式中，Rm(w)是焊接之后的抗拉強度值；Rm(pm)是國標中母材抗拉強度的最低規(guī)定值；T是接頭效率系數(shù)[7]；國標中6082鋁合金接頭效率系數(shù)為0.6，即T=0.6；6082鋁合金的抗拉強度最低規(guī)定值，即Rm(pm)為300 MPa，因此得到抗拉強度最小值為180 MPa[8]。

本試驗數(shù)據(jù)前兩組數(shù)據(jù)均小于最低規(guī)定值，即T型接頭結構不能滿足使用要求，第2組試驗數(shù)據(jù)滿足最低要求，第2組試驗中稀釋率較為適中，接頭部位結合較為牢固，且顯微組織無明顯缺陷，組織均勻沒有明顯的異相分布。

3.4 焊接接頭顯微硬度分析

對焊接功率2 500 W、焊接速度35 mm/s、離焦量0 mm、保護氣體流量15 L/min的T型焊縫進行硬度檢測，橫向焊縫測試點從焊縫左側分別經(jīng)歷母材、熱影響區(qū)、焊縫一直延伸到右測的母材，兩點間隔為0.25 mm；縱向焊縫測試點從焊縫表面一直延伸到鋁合金芯板，兩點間隔也為0.25 mm。硬度檢測結果如圖7所示。

圖7 焊接接頭顯微硬度分布圖

從圖7(a)可以得知，6082鋁合金母材的硬度最高，約為100 HV，焊縫硬度明顯小于母材，焊縫中心處硬度最低，約為45 HV；從焊縫中心的位置到母材的區(qū)域，硬度逐漸增加，但在熱影響區(qū)存在硬度降低的區(qū)域。從圖7(b)可以得知，從焊縫表面到焊縫底部顯微硬度呈上升趨勢，這可能與焊縫上層與下層所經(jīng)歷的不同的熱循環(huán)溫度有關[9]。

母材硬度明顯高于焊縫是由于母材在加工過程中經(jīng)過形變熱處理和時效產(chǎn)生了強化作用，而激光焊接過程中的熱循環(huán)過程會使這種強化作用消失導致強度降低。熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象的形成主要是由于激光焊接過程速度非?？欤附舆^程中熱量的循環(huán)會使鋁板的溫度在短時間內(nèi)快速升高，在溫度到達最大值之后又會下降[7]。

3.5 焊接實物

在激光功率為2 500 W、焊接速度為35 mm/s、離焦量為0 mm、保護氣體流量為15 L/min時，所焊的三明治鋁合金結構如圖8所示，變形較小，塌陷程度輕，表面幾乎無飛濺物，焊縫表面光滑。

圖8 三明治結構

4 結論

本試驗鋁合金板材焊接為應用背景，以中低速磁懸浮列車三明治鋁合金車體為研究對象，利用光纖激光器，采用預置不同試驗條件對6082鋁合金激光焊接工藝進行了研究，通過分析焊接接頭的組織和性能，得出的主要結論如下：

(1)焊接過程中焊接參數(shù)對焊縫成形有重要影響。激光功率過小無法達到焊接閾值則無法焊透母材，豎板與橫板沒有形成連接，即是未焊透；隨著激光功率的增大，焊件反面會出現(xiàn)部分塌陷，且會越來越嚴重，即是咬邊。焊縫成形最佳的激光功率為2 500 W。

(2)當焊接速度過低時，焊縫容易塌陷，但當焊接速度過大時則可能無法焊透母材或焊縫斷斷續(xù)續(xù)，最好焊縫成形的焊接速度為35 mm/s。

(3)6082鋁合金激光焊焊接接頭的硬度明顯小于母材。從焊縫中心區(qū)域到母材區(qū)域，硬度會逐漸增加，但在熱影響區(qū)內(nèi)存在硬度降低的區(qū)域。

(4)氣孔是6082鋁合金激光焊接接頭的缺陷之一，影響焊接接頭的使用性能，焊接前需對鋁板進行焊前處理，并控制焊接參數(shù)?？刂坪闷渌附訁?shù)，隨著激光功率的增加，氣孔量也增加，當焊接的速度增大時，氣孔的數(shù)量也會增多。