入射角度對鋁合金激光焊接質(zhì)量影響的研究

王健強(qiáng), 李家曙, 趙而遠(yuǎn), 賈 正

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

汽車車身約占汽車整車裝備質(zhì)量的35%,車身的輕量化制造將有助于提高新能源汽車電池的續(xù)航能力。鋁合金材料的密度約為鋼的30%,但強(qiáng)度接近優(yōu)質(zhì)鋼,且具有良好的沖壓性及耐腐蝕性,是制造輕量化車身的首選材料[1-2]。

激光焊接自20世紀(jì)80年代就開始應(yīng)用在汽車領(lǐng)域,按照焊接原理可以分為激光熱傳導(dǎo)型焊接和激光深熔焊接兩大類。鋁合金激光深熔焊不需要填充材料,焊縫通過鋁合金試件吸收高能量密度的激光束而熔化,并依靠兩側(cè)母材熔液間的擴(kuò)散、凝固而形成,具有自動(dòng)化程度高、焊接速度快等特點(diǎn),且對零件形狀的適應(yīng)性較好;該方法焊接質(zhì)量穩(wěn)定、可靠且搭接量小,有利于車身輕量化和降低制造成本。奇瑞某款新能源鋁合金車身的側(cè)圍及底盤就應(yīng)用了激光深熔焊接工藝[3]。

目前關(guān)于鋁合金激光焊接的研究有:文獻(xiàn)[4]通過改變焦點(diǎn)位置研究熱處理鋁合金Al 6061-T6薄板的搭接焊接性,結(jié)果表明在激光功率為2 kW、焊接速度為2 m/min、焦點(diǎn)位置0.8 mm、氮?dú)獗Ｗo(hù)氣流量為10 L/min時(shí)形成了聲珠,最佳焊接條件下的焊縫強(qiáng)度為母材強(qiáng)度的52%;文獻(xiàn)[5]對5182鋁合金進(jìn)行了YAG激光填絲焊接特性的研究,方差分析表明,激光功率對焊縫的拉伸強(qiáng)度和埃里克森比的影響較大,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度與埃里克森比密切相關(guān);文獻(xiàn)[6]對1.5 mm厚5052鋁合金的連續(xù)和脈沖激光焊接工藝進(jìn)行了研究,通過對焊接試樣焊縫成形、力學(xué)性能、微觀組織和顯微硬度的分析,得到最佳的鋁合金連續(xù)和脈沖激光焊接工藝參數(shù);文獻(xiàn)[7]采用試驗(yàn)與模擬相結(jié)合方法,探究了激光深熔焊接鋁合金過程中氣孔的特征、焊接工藝對氣孔形成的影響規(guī)律,并提出合理控制小孔型氣孔的方法;文獻(xiàn)[8]建立了1 mm厚6061鋁合金激光焊接的三維數(shù)值模擬模型,完成了激光深熔焊鋁合金的溫度場數(shù)值模擬,獲得激光焊接鋁合金薄板的工藝參數(shù)對焊縫成形的影響規(guī)律;文獻(xiàn)[9]對6061-T6鋁合金中厚板激光熔透焊接工藝進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,在保證熔透焊縫的前提下,不同的工藝參數(shù)能獲得3種不同的焊接接頭形狀,分別為釘形焊縫、酒杯形焊縫和楔形焊縫,其中釘形焊縫的力學(xué)性能最佳;文獻(xiàn)[10]對1.5 mm厚3003鋁合金開展了焊接工藝試驗(yàn),結(jié)果表明在表面聚焦下,當(dāng)焊接速度為40 mm/s、激光功率為1 350 W、脈沖頻率為100 Hz、擺動(dòng)直徑為0.3 mm時(shí)能獲得成形良好的焊接接頭。而關(guān)于激光入射角度對鋁合金薄板激光焊接角焊縫成形及焊接質(zhì)量的研究較少,不同的激光入射角度將影響激光在焊縫表面的能量密度分布以及改變?nèi)刍牧系牧鲃?dòng)方向,因此激光入射角度將對鋁合金薄板的角焊縫成形及質(zhì)量也有著一定的影響。

角焊比疊焊搭接面積更小,因此能進(jìn)一步節(jié)省材料,降低車身的質(zhì)量。本文以1.5 mm S600鋁合金和1.5 mm S600鋁合金角接為研究對象,探討在不同激光入射角度的條件下焊縫熔深、熔寬和焊縫抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律,所得結(jié)論將對鋁合金角焊工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備、方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中以1.5 mm厚S600鋁合金板作為試驗(yàn)對象,板材尺寸為100.0 mm×40.0 mm×1.5 mm。S600鋁合金樣件中其他金屬元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1所列。試驗(yàn)中對材料進(jìn)行化學(xué)除油、并置于干燥箱中干燥。

表1 S600鋁合金中其他金屬元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中采用卡門哈斯生產(chǎn)的擺動(dòng)激光焊接頭,焊接時(shí)可控制激光沿焊縫圓弧擺動(dòng);采用武漢銳科公司生產(chǎn)的型號為C6000X光纖激光器,其最大輸出功率為6 kW,連續(xù)輸出,激光波長為(1 080±5) nm,采用芯徑為0.1 mm光纖進(jìn)行傳輸;焊接機(jī)器人為KUKAR60Hal六軸機(jī)器人,其額定負(fù)載60 kg,最大作用范圍為2 033 mm。

焊接板件搭接形式是上層板S600/1.5 mm+下層板S600/1.5 mm,如圖1所示,焊接時(shí)板件夾持如圖2所示。

圖1 板件搭接方式

圖2 板件夾持裝置

1.3 試驗(yàn)方法

為探究不同入射角度對焊縫成形及焊接質(zhì)量的影響程度,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以入射角度為單一變量的控制變量試驗(yàn),見表2所列。

表2 控制變量試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)前期對激光焊接的其余參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,確定其余焊接參數(shù)為:焊接功率P=4 000 W,焊接速度v=80 mm/s,離焦量f=0 mm。

本試驗(yàn)中,激光頭保持垂直工作臺,通過調(diào)整夾持板件夾具的傾斜角度來控制激光相對角焊縫的入射角度。在夾具的一端墊一定數(shù)量的物塊,通過調(diào)整物塊的數(shù)量,調(diào)節(jié)夾具的傾斜角度,以此實(shí)現(xiàn)激光對角焊縫入射角度的調(diào)整。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)表2的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)試驗(yàn)編號進(jìn)行3次試驗(yàn),總共21次試驗(yàn),以避免出現(xiàn)偶然性因素。

對試驗(yàn)樣件進(jìn)行切割、預(yù)磨、NaOH溶液浸泡5 min、風(fēng)干等處理,利用VMM2.2C視覺測量系統(tǒng)對處理后的試驗(yàn)樣件進(jìn)行金相觀察,獲得每個(gè)試驗(yàn)編號下3次試驗(yàn)中的熔深、熔寬,并將每個(gè)試驗(yàn)編號下的熔深、熔寬的平均值作為最終的統(tǒng)計(jì)值,得到每個(gè)試驗(yàn)編號下的熔深、熔寬、寬深比,具體見表3所列。

表3 7組入射角度下的熔深、熔寬及深寬比

對表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,利用Origin繪圖軟件繪制散點(diǎn)圖,結(jié)果如圖3所示。

入射角度/(°)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

激光深熔焊會產(chǎn)生“小孔”效應(yīng),激光入射角度的改變會造成“小孔”作用的熔池位置發(fā)生改變。

從圖3可以看出,熔深與入射角度呈負(fù)相關(guān),熔深隨著入射角度的增大而減小。這是由于隨著入射角度的增大,“小孔”作用的熔池越來越偏離垂直熔深方向,導(dǎo)致熔深的減小;另一方面,熔深隨著入射角度的增大而減小可能與焊接時(shí)激光能量的利用有關(guān)。激光加工鋁合金時(shí),會在小孔的上方產(chǎn)生金屬蒸氣羽煙,金屬蒸氣羽煙能吸收一部分入射激光的能量,而且隨著入射角度的增大,“小孔”上方的蒸氣羽煙越來越多,吸收入射激光的能量增多,因而造成能量的利用率降低,焊縫熔深減小。

隨著入射角度的增大,下層板中的熔寬與入射角度的關(guān)系并不是單一的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。開始時(shí)隨著入射角度的增大,焊縫的熔寬有增加的趨勢;當(dāng)入射角度大于10°時(shí),隨著入射角度的增大,熔寬并沒有增加,反而減小。

下層板中的熔寬可以分為2個(gè)部分:① 光束直接作用產(chǎn)生的熔寬;② 光束與蒸氣復(fù)合作用產(chǎn)生的熔寬。

前者受激光入射角度改變的影響很小,后者與激光入射角度密切相關(guān)。入射角度在一個(gè)小角度范圍內(nèi)增加時(shí),加工產(chǎn)生的金屬蒸氣大部分停留在熔池內(nèi)部,金屬蒸氣對熔池內(nèi)壁產(chǎn)生一個(gè)擠壓力,造成熔池的膨脹,因此相較于垂直入射,入射角度小角度范圍內(nèi)增加,下層板中的熔寬會增加;而當(dāng)入射角度超過10°,隨著入射角度的增加,激光能量利用降低,熔池位置發(fā)生改變,使得熔池到達(dá)下層板中的有效面積減小,從而造成下層板中的熔寬減小。

3 拉力測試

對表2中的7組試驗(yàn)進(jìn)行拉力測試,作為焊接質(zhì)量的判斷依據(jù),焊縫長度為25 mm。拉力測試采用的是WDW-50微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī),工件裝夾方式如圖4所示。

圖4 工件裝夾方式

統(tǒng)計(jì)不同入射角度下的焊縫斷裂最大拉力,結(jié)果見表4所列。

表4 拉力測試結(jié)果

對表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,利用Origin繪圖軟件繪制散點(diǎn)圖,結(jié)果如圖5所示。

入射角度/(°)

激光深熔焊中主要的缺陷是氣孔,小孔因熔池不穩(wěn)定而塌陷是造成氣孔的主要原因。增大激光入射角度,從流體力學(xué)來說,受自身重力及外界大氣壓力,熔池中的液態(tài)金屬更容易填充小孔,從而減少小孔的塌陷。

從圖5可以看出,在一定角度范圍內(nèi),隨著入射角度的增大,角焊縫的抗拉強(qiáng)度會增加,且當(dāng)入射角度為30°時(shí),角焊縫的抗拉強(qiáng)度比垂直入射(即入射角度為0°)時(shí)增加約35%。這是由于入射角度的增大使得焊縫氣孔缺陷得到了改善。當(dāng)入射角度超過某一臨界值時(shí),隨著入射角度的增大,雖然焊縫氣孔缺陷得到了改善,但由于焊縫熔深的減小,角焊縫的抗拉強(qiáng)度會減小;當(dāng)入射角度為60°,角焊縫的抗拉強(qiáng)度為垂直入射的73%,比垂直入射時(shí)的抗拉強(qiáng)度減少約27%。

由圖5可知,激光焊接鋁合金角焊縫時(shí),選擇一個(gè)合適的入射角度將能提高焊縫的抗拉強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

本文主要研究不同激光入射角度對鋁合金1.5 mm S600角接焊縫熔深、熔寬和焊縫抗拉強(qiáng)度的影響,根據(jù)試驗(yàn)得出以下結(jié)論:

1) 對于1.5 mm S600角接,角焊縫的熔深隨著入射角度的增大而減小,熔寬隨著入射角度的增大,先增大后減小。

2) 對于1.5 mm S600角接,角焊縫的抗拉強(qiáng)度隨著入射角度的增大,呈先增大后減小的趨勢。入射角度不宜過大,過大的入射角度會使獲得角焊縫的抗拉強(qiáng)度比垂直入射(入射角度為0°)時(shí)還小。當(dāng)激光入射角度為30°時(shí),焊縫質(zhì)量最佳,角焊縫的抗拉強(qiáng)度相較于垂直入射時(shí)增加35%左右。