超薄鋁合金膠粘接及激光焊接工藝研究

張群威，陳桂華

超薄鋁合金膠粘接及激光焊接工藝研究

張群威，陳桂華

（河南工業(yè)大學漯河工學院，河南 漯河 462000）

為了解決厚度為0.05 mm的鋁合金在激光焊接過程中，材料發(fā)生變形導致的焊穿或者虛焊問題。采用在下層鋁合金材料表面均勻涂覆粘膠劑，將上下2層鋁合金材料進行預固定，然后采用激光焊接，形成焊縫。通過控制涂覆粘膠劑的次數(shù)，得到膠層厚度為11.2 μm，對涂覆粘膠劑的鋁合金進行激光焊接實驗。當激光平均功率為150 W，焊接速度為100 mm/s，離焦量為2 mm時，焊縫剪切強度最大，為124 MPa，達到母材剪切強度的82%。通過粘膠劑預固定后，在激光加熱過程中，可以很好地克服材料的變形，讓上下材料形成熔池，熔池冷卻凝固后熔合在一起形成焊縫，可以解決材料發(fā)生變形導致的焊穿或者虛焊問題。

鋁合金材料；粘膠劑；激光焊接；剪切強度

鋁合金材料具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，在汽車制造、食品包裝、以及消費電子產(chǎn)品等行業(yè)中具有廣泛的應用前景[1-3]。為了節(jié)約生產(chǎn)成本及降低產(chǎn)品重量，材料厚度越來越薄，小于等于0.05 m超薄鋁合金材料的應用將越來越多。

激光焊接具有熱量輸入集中、熱影響范圍小、與產(chǎn)品非接觸、容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)等優(yōu)點[4-9]，超薄鋁合金材料由于材料較軟，在激光焊接過程中容易發(fā)生變形，采用夾具也無法避免2層材料之間產(chǎn)生的間隙，容易導致虛焊，無法達到焊接要求。膠水粘接可以克服材料變形的問題，使2層材料很好地粘接在一起，但是膠水粘接的接頭不能承受較高或較低溫的環(huán)境[10-13]。將膠水粘接與激光焊接結(jié)合在一起，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，可以得到理想的焊接接頭。Orion Craigue等[14]研究了鋁合金A5754的激光膠焊工藝，該工藝方法成功應用于厚板鋁合金（厚度為2.0 mm）的焊接中；劉黎明等[15]采用激光膠焊的方法對鎂合金進行焊接，并且分析了接頭的微觀組織特征。截至目前，未見有對超薄鋁合金（厚度≤0.05 mm）激光膠焊接的報道出現(xiàn)。

文中先用粘膠劑粘接，將上下層超薄材料進行預固定，然后進行激光焊接，得到焊縫接頭剪切強度最大的工藝參數(shù)，并分析工藝參數(shù)對焊縫剪切強度的影響，為實際生產(chǎn)提供技術參考。

1 材料及實驗設備

1.1 材料

實驗材料為6061鋁合金，厚度為0.05 m，尺寸為200 mm×100 mm，材料化學成分見表１。先用1000目的細砂紙打磨鋁合金材料表面，去除氧化層，然后分別用丙酮、酒精清洗油污，干燥以備用。將2塊板材進行搭接焊接，焊接過程中，用氬氣對焊縫進行保護，氬氣純度為99.99%。粘膠劑為快干型結(jié)構膠，主要成分是α-氰基丙烯酸乙酯，由美國3M公司提供，在空氣中微量水的催化下發(fā)生反應，迅速固化，將上下層鋁合金材料粘接牢固。

表1 6061鋁合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

Tab.1 Chemical composition of 6061aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 設備

采用氣動熱壓機，型號為Q104R，對涂覆粘膠劑的鋁合金板材進行加壓固定，使膠層厚度更加均勻，氣動熱壓機由深圳市鑫億液壓設備有限公司提供，加壓質(zhì)量最大為3 t，加壓時間為0～999 s，設備如圖1a所示。激光焊接采用光纖激光器，型號為YLR-150/ 1500-QCW-AM，由美國IPG公司生產(chǎn)，最大輸出激光功率為250 W，光纖芯徑為14 μm，激光束從激光器發(fā)出后，經(jīng)過激光加工頭聚焦，對工件進行激光加工，激光加工頭在X/Y模組的帶動下進行任意軌跡的焊接，焊接實驗設備如圖1b所示。采用拉力機對焊縫進行剪切強度測試，規(guī)格型號為WDH-10，由濟南華興實驗設備有限公司提供，將材料兩端夾住，下層材料固定，拉力機將上層材料往上拉，直到焊縫斷開，測試焊縫的剪切力，如圖1c所示，剪切力除以焊縫面積等于剪切強度。

圖1 氣動熱壓與激光焊接設備

2 粘膠劑及激光焊接實驗結(jié)果

2.1 粘膠劑實驗

將粘膠劑涂覆在下層鋁合金表面，然后將上層鋁合金板材搭在下層鋁合金板材上，采用氣動熱壓機壓緊，壓緊時間為240 s，氣動熱壓機的壓力值設置為20 kg。對粘接后的鋁合金板材進行切片分析，用顯微鏡測試上下層材料之間的粘膠劑厚度，如圖2所示。隨著涂覆粘膠劑次數(shù)的增加，粘膠劑厚度逐漸增加，在涂覆次數(shù)為4時，粘膠劑的厚度達到最大的11.2 μm，繼續(xù)增加涂覆次數(shù)，粘膠劑的厚度沒有繼續(xù)增加，這是因為粘膠劑有一定的流動性，在壓力的作用下，粘膠劑在2塊材料之間擴散，不會增加粘膠劑的厚度。隨著涂覆粘膠劑次數(shù)的增加，2塊材料之間的剪切強度也先增加后減小，當涂覆次數(shù)為4時，剪切強度達到最大的45 MPa，當涂覆次數(shù)為5時，剪切強度降低到31 MPa，這是因為粘膠劑的寬度增加，導致剪切強度降低。

圖2 上下層材料之間的粘膠劑

表2 粘膠劑涂覆次數(shù)與厚度

Tab.2 Number and thickness of adhesive coating

2.2 激光焊接實驗

為節(jié)約實驗材料，對激光焊接參數(shù)進行預實驗，首先對粘膠劑的厚度進行實驗，當厚度低于11.2 μm時，由于膠粘接的厚度較小，粘接強度較低，激光焊接過程中，材料容易產(chǎn)生熱變形，增加了材料之間的間隙，導致虛焊。因此，設定粘膠劑厚度為11.2 μm，進行激光焊接實驗。對激光功率進行實驗，當激光功率低于100 W時，由于功率較低，產(chǎn)生的溫度較低，無法形成熔池，導致無法形成焊縫；當激光功率高于200 W時，由于激光功率過高，導致材料部分氣化，材料缺失導致焊縫剪切強度降低。焊接速度也是激光焊接重要參數(shù)之一，當焊接速度小于100 mm/s時，熱量堆積過大，材料變形較大，焊接過程中焊縫容易裂開，產(chǎn)生虛焊；當速度大于300 mm/s時，熱量堆積不夠，無法形成有效的熔池，無法形成焊縫。離焦量是激光焦點與材料之間的距離，當離焦量小于1 mm時，由于激光作用在材料上的光斑面積較小，激光功率密度高，將材料氣化，產(chǎn)生飛濺；當離焦量大于3 mm時，激光作用在材料上的光斑面積較大，激光功率密度小，不足以將材料熔化產(chǎn)生熔池，無法形成焊接。為了得到最大的焊接接頭剪切強度，對激光平均功率、焊接速度以及離焦量進行正交實驗，選取的三因素三水平如表3所示。

表3 因素水平表

Tab.3 Factor level

三因素三水平正交實驗的結(jié)果如表4所示，當激光平均功率為150 W，焊接速度為100 mm/s，離焦量為2 mm時，焊縫剪切強度達到最大的124 MPa，達到母材（6061鋁合金母材的剪切強度為150 MPa）剪切強度的82%，此時的激光焊接工藝參數(shù)為最佳工藝參數(shù)。對焊縫剪切強度進行極差分析，1，2，3分別表示激光平均功率、焊接速度、離焦量在三水平下的剪切強度總和。表示極差（剪切強度總和的最大值減去最小值），由極差分析結(jié)果得知影響焊縫剪切強度最主要的工藝參數(shù)為離焦量，其次是焊接速度，最次為激光平均功率。

表4 正交實驗結(jié)果

Tab.4 Analysis of orthogonal experiment

2.3 焊縫外觀及切片分析

當沒有用膠粘預固定時，焊縫會有部分焊穿現(xiàn)象，如圖3a所示，從焊縫切片可以看出，上下層材料之間有間隙，如圖3b所示，這是因為厚度為0.05 mm的鋁合金較薄，在激光焊接加熱過程中，材料容易發(fā)生變形，導致間隙變大，上層材料吸收激光能量后，產(chǎn)生的熱量無法及時傳導到下層材料，大部分激光能量堆積在上層材料上，導致溫度過高，部分材料氣化，將上層材料焊穿，沒有和下層材料形成熔池，產(chǎn)生焊縫部分焊穿的現(xiàn)象。圖3c為膠粘預固定后，在最佳工藝參數(shù)條件下的焊縫外觀、焊縫表面均勻一致，無焊穿等現(xiàn)象；焊縫切片如圖3d所示，上下層材料之間沒有間隙，這是因為用膠粘預固定后，激光加熱過程中，可以克服材料的變形，讓上下材料形成熔池，冷卻凝固后熔合在一起，形成一致性好的焊縫。

圖3 焊縫外觀及切片

2.4 焊縫微觀結(jié)構分析

當未采用膠粘預固定時，6061鋁合金母材的金相組織如圖4a所示，主要為α-Al組織，晶粒較為粗大。未用膠粘預固定的激光焊縫熔合線附近為典型的柱狀晶組織，且晶粒垂直于熔合線，如圖4b所示，這是因為激光焊接過程中，熔池的冷卻速度極快，晶粒會優(yōu)先選擇散熱最快的方向生長，即沿著垂直于熔合線的方向生長。焊縫中心為細小的等軸晶粒，晶粒尺寸明顯小于母材，如圖4c所示，這是因為熔池中心的冷卻速率更快，熔池中心能夠自發(fā)形核，由此形成大量的等軸晶粒。采用膠粘預固定和未采用膠粘預固定的激光焊縫微觀結(jié)構基本一致，說明膠粘不會對激光焊縫微觀結(jié)構產(chǎn)生影響。

a 母材 b 熔合區(qū) c 焊縫中心

3 結(jié)論

隨著涂覆粘膠劑次數(shù)的增加，厚度先增加后減小，當涂覆次數(shù)為4時，粘膠劑的厚度達到最大的11.2 μm。當粘膠劑厚度低于11.2 μm時，膠粘接的強度不夠，會在激光焊接過程中導致虛焊。

通過對激光焊接工藝參數(shù)進行三因素三水平正交實驗，由極差分析結(jié)果得知影響焊縫剪切強度最主要的工藝參數(shù)為離焦量，其次是焊接速度，最次為激光平均功率。

焊縫切片分析結(jié)果表明，膠粘預固定后，可以很好地克服材料在焊接過程中產(chǎn)生的熱變形，讓上下材料形成熔池，冷卻凝固后熔合在一起，形成焊縫表面均勻一致，無虛焊的效果。為其他超薄材料的焊接提供了技術參考。

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Adhesive Bonding and Laser Welding of Ultra-Thin Aluminum Alloy

ZHANG Qun-wei, CHEN Gui-hua

(Henan University of Technology, Luohe Institute of Technology, Henan 462000, China)

The work aims to solve the problem of welding penetration or insufficient welding caused by material deformation in laser welding process of aluminum alloy with thickness of 0.05 mm. The adhesive was evenly coated on the surface of the lower aluminum alloy material to prefix the upper and lower aluminum alloy materials and then laser welding was adopted to form welds. By controlling the number of times of adhesive coating, an adhesive coating with a thickness of 11.2 μm was obtained, and the laser welding experiment was carried out to the aluminum alloy coated with adhesive. When average laser power was 150 W, welding speed was 100 mm/s, and defocus amount was 2 mm, the shear strength of welds was the maximum of 124 MPa, reaching to 82% of the base metal shear strength. After pre-fixation by adhesive, the deformation of the material can be well overcome in the process of laser heating, so that the upper and lower materials can form a molten pool, and then the molten pool is cooled and solidified to form welds, which can solve the problem of welding penetration or insufficient welding caused by the deformation of the material.

aluminum alloy; adhesive; laser welding; shear strength

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.021

TG456.7

A

1674-6457(2022)02-0138-05

2021-05-01

張群威（1984—），男，碩士，講師，主要研究方向為輕質(zhì)合金的先進制造技術。