三明治铝合金结构激光焊接工艺研究

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( 1.河北大学 党政办，河北 保定 071002;2. 石家庄铁道大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043)

0 引言

全焊接三明治铝合金是一种由上下两层薄铝面板与中间的铝芯板通过焊接而形成的新型夹芯式结构，上下两块面板承载弯曲和面内荷载，中间芯板承受剪切载荷，具有高强度和高刚度，因而在船舶、飞机、列车、汽车等行业得到了广泛的关注[1-2]。

由于三明治铝合金的面板及芯板的厚度较薄，传统的MIG焊热影响区大、热变形大，无法满足要求[2]。激光焊具有焊接速度快、焊接变形小的优点恰好可以应用于此类结构[3]。英国焊接研究所采用激光电弧复合焊为日本高铁制造商开发出了高速列车三明治铝合金车墙板结构，实现了铝合金板各种接头的焊接[2]。本研究以中低速磁悬浮列车三明治铝合金车体为研究对象，相比于高速列车，板材厚度仅为1.5 mm，车身长达10多米，激光电弧复合焊引起的变形也不可忽视。为此，采用纯激光焊对WEB-CORE形式的三明治铝合金结构进行焊接工艺实验。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验所用材料为6082铝合金，供货状态为T6，主要化学成分如表1所示。试验中每块T接6082铝合金板的尺寸为120 mm×60 mm×1.5 mm。

表1 6082铝合金化学成分质量分数 wt%

1.2 试验方法

在焊接前对铝合金进行化学清洗：用10%的NaOH溶液浸泡，清水冲洗，之后用30%的HNO3溶液进行中和清洗。取出板材，再次用清水冲洗2～3 min，丙酮擦拭，用吹风机冷风吹干，密封保存。

激光器选用美国IPG公司生产的YLS-4000型光纤激光器作为能量输出装置，最大输出功率为4 300 W，机器人手臂选用的是德国KUKA公司生产的KUKA-3HA型机器人。保护气体为99.999%氩气。焊后沿焊缝横截面制备金相试样，经打磨抛光后用腐蚀液进行宏观形貌和微观组织分析，腐蚀液为：4 mL氢氟酸(HF)+ 10 mL浓硝酸(HNO3)+ 6 mL浓盐酸(HCl)+ 190 mL蒸馏水，腐蚀时间为15 s。使用GX51型奥林巴斯显微镜观察显微组织；使用HVS-1000型数显显微硬度计对焊接接头进行显微硬度测试，施载力为100 g。

图1 固定装置

2 试验内容

2.1 焊接工装的设计

本试验的试样为T型结构，由3块铝合金板组成，所焊部位为上面两块铝板的对接部分。面板水平放置，芯板垂直于面板固定以及三板紧密对接成为新的问题。此外，进行工字型焊接(反焊)及目字型扩展焊接工装设计，才真正实现“三明治铝合金结构”要求。经过反复思考，更改工装图形，设计出的固定装置如图1所示。

本装置设计综合考虑了焊接位置需求、耐热高强、使用寿命及经济要求，有如下特点:(1)能满足正反焊接，预留焊缝区域充足；(2)对于封闭空间，可方便固定拆卸；(3)为避免板件加工误差，面板、芯板均可在一定范围内调解固定；(4)材料强度高，耐热并方便铝板散热，平整美观，价格适当，方便组装；(5)装置方便移动，小巧多功能；(6)不仅适用于120×60×1.5铝合金板件，还适用于能三维方向适当扩大及缩小的板件。

2.2 焊接工艺试验

在焊接速度为35 mm/s、离焦量0 mm、保护气体流量15 L/min时，首先进行了激光功率为2 000 W、2 500 W、3 000 W、3 500 W的焊接试验。然后，在激光功率为3 000 W、离焦量0 mm、保护气体流量15 L/min时，进行了焊接速度从40 mm/s到70 mm/s的焊接试验。

3 试验结果及分析

3.1 不同激光功率下焊缝形状及微观组织分析

图2为不同激光功率焊接三明治铝合金结构的焊缝形貌。当激光功率为2 000 W时，表面平整光滑，无鱼鳞状波纹，但面板与芯板未焊接在一起。当激光功率为2 500 W时，此时热输入可以焊透1.5 mm厚的母材并与芯板焊接在一起，焊缝表面光滑，鱼鳞状波纹连续美观。当激光功率为3 000 W时，熔宽和熔深逐渐增加，同时飞溅物也开始变多，焊件的反面出现部分塌陷。当激光功率为3 500 W时，飞溅严重，焊接过程不稳定，焊缝表面成形粗糙，母材多处被烧穿，塌陷严重。

图2 不同激光功率的焊缝形貌

激光焊接铝合金时，热量输入比较快，冷却所用时间也短，相当于空冷淬火，从而使焊缝中晶粒得到细化，晶界增多，析出相较少，来不及长大，弥散地分布在晶界和晶粒中[4]。从焊缝中心到融合线再到热影响区，晶粒的成长具有各向异性，这是由温度梯度大小决定的。当焊缝结晶时，由于熔合线附近的温度梯度较大，从而形成粗大的柱状晶。而焊缝中心区域温度梯度较小，形成均匀细密的等轴晶和树枝晶的混合区，局部有团簇细小的树枝晶团，而黑色组织为Mg2Si强化相[5]。图3为激光功率为2 500 W和3 000 W的T型焊缝截面及微观组织。

图3 不同焊接功率下焊缝形貌及微观组织

3.2 不同焊接速度下焊缝形状及微观组织分析

当激光功率为2 500 W时，焊缝美观，飞溅小，并且塌陷较浅，因此，选择在该功率下进行不同焊接速度的试验。当焊接速度为25 mm/s时，能量过高，变形增大，焊缝表面成形粗糙，飞溅颗粒大，母材部分烧穿，塌陷严重，熔宽较大；焊接速度为35 mm/s时，焊缝表面鱼鳞状波纹整齐连续，飞溅物较少，塌陷小；当焊接速度为45 mm/s时，热输入较小，焊缝表面连续平整光滑但焊缝不连续。图4为不同焊接速度下的焊缝正面形貌。

图4 不同焊接速度下的焊缝正面形貌

焊接速度越大，晶粒主轴的成长方向越垂直于焊缝的中心线；相反，焊接速度越小时，晶粒主轴的成长方向越弯曲。当焊接速度为25 mm/s时，能量密度过高，熔宽较大，熔池深度较大，T型焊缝深度和宽度都较大，存在较多的夹杂；焊接速度为35 mm/s时，能量密度适中，熔宽、熔池深度足以保证焊接牢固，且组织内部缺陷较少，有利于发挥T型结构的优点；当焊接速度为45 mm/s时，能量密度较小，熔宽较大，熔池深度较小，焊缝不连续，结构不能保证使用要求，结晶速度过快，导致微观组织中存在较多的气孔和裂缝[6]。图5为不同焊接速度下的T型焊缝截面及显微组织。

图5 不同焊接速度下的T型焊缝及显微组织

3.3 焊接接头拉伸性能分析

焊接速度分别是25 mm/s、35 mm/s、45 mm/s试验条件下得到的三明治铝合金结构进行切割，得到T型焊接结构试样进行拉伸试验，试样长120 mm，高60 mm，宽25 mm，厚度为2 mm，拉伸试样如图6所示。

图6 T型焊接接头结构

为避免试验数据的随机误差，因此在不同试验条件下各选择3个T型接头结构进行拉伸，得到各组拉伸试验结果见表2。

表2 不同速度下焊接接头拉伸试验结果

焊接之后的试样接头应该满足GB15614-2—2005的规范，实际抗拉强度

Rm(w)=Rm(pm)xT

(1)

式中，Rm(w)是焊接之后的抗拉强度值；Rm(pm)是国标中母材抗拉强度的最低规定值；T是接头效率系数[7]；国标中6082铝合金接头效率系数为0.6，即T=0.6；6082铝合金的抗拉强度最低规定值，即Rm(pm)为300 MPa，因此得到抗拉强度最小值为180 MPa[8]。

本试验数据前两组数据均小于最低规定值，即T型接头结构不能满足使用要求，第2组试验数据满足最低要求，第2组试验中稀释率较为适中，接头部位结合较为牢固，且显微组织无明显缺陷，组织均匀没有明显的异相分布。

3.4 焊接接头显微硬度分析

对焊接功率2 500 W、焊接速度35 mm/s、离焦量0 mm、保护气体流量15 L/min的T型焊缝进行硬度检测，横向焊缝测试点从焊缝左侧分别经历母材、热影响区、焊缝一直延伸到右测的母材，两点间隔为0.25 mm；纵向焊缝测试点从焊缝表面一直延伸到铝合金芯板，两点间隔也为0.25 mm。硬度检测结果如图7所示。

图7 焊接接头显微硬度分布图

从图7(a)可以得知，6082铝合金母材的硬度最高，约为100 HV，焊缝硬度明显小于母材，焊缝中心处硬度最低，约为45 HV；从焊缝中心的位置到母材的区域，硬度逐渐增加，但在热影响区存在硬度降低的区域。从图7(b)可以得知，从焊缝表面到焊缝底部显微硬度呈上升趋势，这可能与焊缝上层与下层所经历的不同的热循环温度有关[9]。

母材硬度明显高于焊缝是由于母材在加工过程中经过形变热处理和时效产生了强化作用，而激光焊接过程中的热循环过程会使这种强化作用消失导致强度降低。热影响区软化现象的形成主要是由于激光焊接过程速度非常快，焊接过程中热量的循环会使铝板的温度在短时间内快速升高，在温度到达最大值之后又会下降[7]。

3.5 焊接实物

在激光功率为2 500 W、焊接速度为35 mm/s、离焦量为0 mm、保护气体流量为15 L/min时，所焊的三明治铝合金结构如图8所示，变形较小，塌陷程度轻，表面几乎无飞溅物，焊缝表面光滑。

图8 三明治结构

4 结论

本试验铝合金板材焊接为应用背景，以中低速磁悬浮列车三明治铝合金车体为研究对象，利用光纤激光器，采用预置不同试验条件对6082铝合金激光焊接工艺进行了研究，通过分析焊接接头的组织和性能，得出的主要结论如下：

(1)焊接过程中焊接参数对焊缝成形有重要影响。激光功率过小无法达到焊接阈值则无法焊透母材，竖板与横板没有形成连接，即是未焊透；随着激光功率的增大，焊件反面会出现部分塌陷，且会越来越严重，即是咬边。焊缝成形最佳的激光功率为2 500 W。

(2)当焊接速度过低时，焊缝容易塌陷，但当焊接速度过大时则可能无法焊透母材或焊缝断断续续，最好焊缝成形的焊接速度为35 mm/s。

(3)6082铝合金激光焊焊接接头的硬度明显小于母材。从焊缝中心区域到母材区域，硬度会逐渐增加，但在热影响区内存在硬度降低的区域。

(4)气孔是6082铝合金激光焊接接头的缺陷之一，影响焊接接头的使用性能，焊接前需对铝板进行焊前处理，并控制焊接参数。控制好其它焊接参数，随着激光功率的增加，气孔量也增加，当焊接的速度增大时，气孔的数量也会增多。