Al-Mg系鋁合金脈沖激光焊接性能影響因素分析

張繼祥，劉鳳芝，高 波，殷筱依，楊 泮

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶400074)

引 言

鋁合金具有密度小、比強度高、抗腐蝕性好、易于加工成型、抗沖擊性能好、易回收、無磁等優點。鋁合金被應用于建筑、航空航天、汽車、造船、健身娛樂壓力容器等行業。隨著鋁合金越來越廣泛的應用及構件形狀日趨復雜化，對鋁合金結構件之間的連接技術特別是對鋁合金焊接工藝提出了越來越高的要求。傳統熔焊方法已經難以適應其發展趨勢，質量好、效率高的鋁合金焊接技術的開發和應用正逐漸成為生產中的迫切需求。

鎢極惰性氣體(tungsten inert gas，TIG)焊和金屬惰性氣體保護(metal inertia gas，MIG)焊、攪拌摩擦焊、電子束焊、激光焊是目前工業應用中最為常見的鋁合金焊接方法。TIG焊和MIG焊熱輸入量大、能量密度低、焊接速度慢、生產效率低、焊接接頭性能差、焊接構件的變形比較大、焊后需進行校正;攪拌摩擦焊僅適合于形狀比較規則的焊縫，較難焊接復雜形狀工件，設備投入大;電子束焊常用于鋁合金厚板的焊接，焊縫產生下塌、凹坑缺陷，焊件尺寸受真空室限制;而鋁合金激光焊接具有能量密度高、熱輸入量小易于精確控制、定位精度高、焊件熱變形小、熔合區和熱影響區窄、焊縫熔深大、深寬比大的優點，因此大功率激光器常用于鋁合金厚板焊接，小功率Nd∶YAG激光器常用于薄板的焊接［1-4］。

目前學者們進行了許多關于鋁合金表面處理狀態及填粉焊接對激光焊接過程及接頭組織性能的影響研究［5-14］。如CAI等人［7］試驗得出不同表面狀態對結晶裂紋的影響與焊縫組織晶粒大小、共晶形態及其數量密切相關。CHEN等人［8］進行了高強鋁合金的CO2激光填粉焊接研究，結果表明，合金粉末可以提高焊接過程中激光能量的有效利用率和減弱等離子體的膨脹跳動，有利于獲得較為穩定的焊接過程和理想的焊縫成形。YU等人［12］對5A06鋁合金的激光填絲焊接頭組織性能進行研究，測得其焊接接頭的斷裂強度、韌性、延伸率均有所降低。

本文中采用Nd∶YAG脈沖激光器針對激光焊接存在的焊接過程不穩定、焊縫深寬比小、力學性能低的難點，通過改變表面狀態和工藝方法，研究其對鋁合金焊接工藝性的影響機理，達到提升其焊接性能的目的。

1 實驗

1．1 實驗用原材料

實驗中所用的焊接母材為Al-Mg合金中的5451，T6狀態，其化學成分見表1，力學性能見表2。

Table 1 Mass fraction of aluminum alloy 5451

Table 2 Physical and mechanical properties of aluminum alloy in the experiment

1．2 試樣的準備

將鋁合金板材用線切割機切割成尺寸為50mm×20mm×2.5mm試樣，并對試樣表面進行除油去氧化膜處理，具體步驟如下:酒精清洗;0.10NaOH溶液浸泡;清水清洗;0.30HNO3溶液光化處理;清水清洗;酒精擦拭、烘干。

先對部分試樣進行NaOH溶液堿蝕處理，再對另外一部分試樣進行陽極氧化處理。陽極氧化處理分別采用硫酸和磷酸，其濃度以及氧化參量和氧化后膜層的表觀特征見表3。

Table 3 Parameters of anode oxidation electrolyte

1．3 焊接實驗

將所有試樣在JHM-1GY-500B型Nd∶YAG多功能激光加工機上進行對焊實驗。首先進行表面處理狀態對鋁合金焊接性影響的研究，重點是試樣表面處理后提高激光吸收率，改善鋁合金焊接性的研究。表4為試樣表面處理方法。焊接過程為:采用純度在99.9%以上的純氬氣作為焊接保護氣體，保護方式為側保護+背面保護，流量控制5L/min激光熱源沿被焊工件的焊縫只走一遍。

Table 4 Surface treatment status

然后進行不同工藝方案焊接對比實驗，所采用的工藝方案如表5所示。

Table 5 Different projects of welding process

1．4 力學性能試驗

1.4.1 拉伸試驗 將各焊接好的工件，分別用線切割機沿著垂直于焊縫的方向進行拉伸試樣的切割，試樣具體尺寸如圖1所示，試樣原始標距為50mm，寬度為12mm。試樣在萬能實驗機上以0.3mm/s的速率進行拉伸，記錄各拉伸試件的最大斷裂值和拉伸變形曲線。

Fig.1 Dimension of tensile specimen

1.4.2 硬度檢測試驗 用線切割機沿著垂直于焊縫方向將焊接件切割成10mm×10mm的試樣，將各試樣做好標記后統一裝夾在自制的夾具上進行硬度測量。

在室溫下，將裝夾好的工件在HXD-1000TM/LCD型顯微硬度機上，從焊縫中心開始分別向焊縫兩邊進行硬度測量，每個點測量3次取平均值，其中測量時的加載29.4N載荷，保持時間為5s。

2 結果與討論

2．1 表面狀態對鋁合金焊接性的影響規律

2.1.1 焊接過程 鋁合金原始表面和堿蝕表面處理的試樣焊接時表現為不連續的藍色火焰并伴隨著強烈的金屬蒸汽噴發聲音，如圖2a所示，焊接過程不穩定，等離子體約為0.8cm～1cm。從側面可以看出，火焰很少透射到工件的下表面，表示此時焊接沒有形成有效的小孔，焊件未焊透。

Fig.3 Effect of surface state on weld parametersa—weld width of different surface statement b—penetration of different surface statement c—weld seam depth-to-width ratio of different surface statement

Fig.2 Changing of weld pool morphology and color in welding process a—discontinuous yellow flame b—the stability of continuous blue flame

硫酸、磷酸陽極氧化的試樣焊接時表現為在熔池內為比較穩定的深藍色，產生斷續的黃色火焰的情況明顯降低，等離子體高度約為0.5cm，焊接過程較穩定。從側面可以看出，穩定的藍色火焰透射到工件的下表面，說明此時焊接過程形成了穩定的小孔效應。以上結果初步說明，表面未經處理或堿蝕的試樣對激光吸收率低，產生的焊接熱不足，只能以傳熱焊方式進行;而硫酸、磷酸陽極氧化的試樣提高了激光吸收率，焊接以小孔深熔焊方式進行。

2.1.2 焊縫深寬比 對各種表面狀態下焊接后的試樣端面焊縫進行測量，得到焊縫的寬度、深度并計算得到焊縫的深寬比，如圖3所示。

不同表面狀態下的焊縫熔寬相差并不大，基本都在1.0mm左右，經陽極氧化處理的工件熔寬稍小，而焊縫熔深則有較大的差別，表面沒經過處理的試樣焊縫熔深較小，而酸蝕試樣熔深較大，其中經磷酸陽極氧化處理后，其焊縫熔深可達1.3mm。從圖3c焊縫深寬比來看，表面沒經過處理的試樣深寬比較小，焊縫狀態較差(如圖4a所示)，而經過酸蝕的試樣深寬比較大(如圖4c和圖4d所示)。

焊縫的熔深和深寬比反映了焊縫吸收功率密度的大小，這是由鋁合金對激光吸收率決定的。陽極氧化表面處理可以增加激光利用率，焊縫吸收功率密度大，產生的焊接熱量高，使焊縫熔深和深寬比大，而未經處理的試樣和堿蝕試樣表面對激光吸收率低，焊縫熔深和深寬比小。

鋁合金對激光的吸收率與其表面狀態有直接關系。如圖5所示陽極氧化的表面粗糙，有裂紋、不規則形狀的多孔結構。激光在小孔內多次反射有助于鋁合金對光束能量的吸收，顯示出“壁聚焦效應”。凹凸不平的鋁合金表面和裂紋使得陽極氧化后的鋁合金表面比光滑的表面激光吸收率大。激光吸收率的差異造成了合金表面吸收功率密度的差異，引起焊接模式發生了轉變。經過陽極氧化的表面大大增加了激光吸收率，使原本的傳熱焊向小孔深熔焊過渡。

Fig.4 Weld cross section under different surface statea—original surface b—alkaline degreasing c—sulfuric acid anodizing d—phosphoric acid anodizing

Fig.5 Surface morphology of aluminum alloy anodic oxidation film

2.1.3 焊縫力學性能 圖6a為不同表面處理試樣焊縫抗拉強度。未進行表面處理的試樣焊縫抗拉強度最低，僅有32.5MPa，試樣經過表面處理后焊縫抗拉強度有所提高，經硫酸、磷酸陽極氧化的試樣焊縫抗拉強度提高了近1倍，分別達到61.3MPa和64MPa。但也應該看到，雖然經過表面處理后焊縫強度有所提高，但是最大的焊縫強度也只有材料本身強度的1/4。

Fig.6 Mechanical property of welding pieces under different surface states a—tensile strength of weld b—hardness of weld

鋁合金激光焊焊縫抗拉強度低與合金對激光吸收率低有直接關系。低的激光吸收率使焊縫吸收功率密度低，焊縫熔化溫度低、熔深小，造成焊縫組織不致密及熔合區存在熔合缺陷，因此鋁合金焊縫激光焊強度偏低。經過表面處理后的試樣對激光吸收率提高，其焊縫強度明顯提高，經硫酸、磷酸陽極氧化的試樣強度提高明顯。探索更好地提升激光吸收率的表面處理工藝是下一步研究的方向。

圖6b為試樣焊縫中心及熱影響區硬度曲線。所有曲線從焊縫中心向焊縫兩邊的硬度分布近似呈W型。對于未經表面處理的試樣，焊縫中心硬度HV61，約為母材硬度的65%，而距焊縫中心0.5mm的熔合區硬度很低，只有HV50左右;進入熱影響區后硬度隨距焊縫中心距離增加而快速增加到母材硬度的80%左右(約HV75)，然后減緩增加到母材硬度。

焊縫及其熱影響區的硬度主要與焊縫晶粒組織的大小、晶內溶質元素含量的高低、焊縫內Mg3Al8相數量的多少和尺寸的大小等因素有關。焊縫Mg合金使合金中的Mg3Al8共晶相含量降低，致使焊縫硬度的下降;熔合區由于熔合缺陷，組織不致密，硬度最低，因此拉伸試樣往往在熔合區斷裂。

熱影響區的軟化主要是α(Al)相晶粒長大及Mg3Al8相的溶解或長大造成的，且靠近熔合線的區域發生Mg3Al8相的溶解，遠離熔合線的區域發生Mg3Al8相的長大。

從圖6b中還可以看出，3種經過表面處理后的試樣焊縫及過熱區的硬度明顯提高，尤其是硫酸、磷酸陽極氧化的試樣提高明顯。硫酸、磷酸陽極氧化的試樣焊縫基本貫穿試樣，其散熱條件為雙面輻射散熱，散熱效果好，焊后冷卻速度更大，使焊縫和過熱區的晶粒細化，硬度提高。

鋁合金激光焊焊縫強度的降低也與其合金元素的燒損有關。圖7為原始表面焊縫及熱影響區鎂含量的掃描曲線，可以看出，在焊縫區由于鎂的燒損，使Al-Mg合金中的Mg3Al8共晶相含量降低，致使焊縫強度的下降。另外，T6處理的母材原始組織為固溶時效組織，而焊縫組織為鑄態組織，組織的不同也會使其強度降低。

Fig.7 Alloy distribution curve in the weld seam

2．2 焊接工藝方案對鋁合金焊接性的影響規律

2.2.1 焊縫深寬比 對不同焊接工藝條件下焊接后的試樣進行測量，得到焊縫的寬度、深度并計算得到焊縫的深寬比，如圖8所示。

Fig.8 Size of welding seam under different welding processa—weld width of different welding process b—penetration of different welding process c—weld seam depth-to-width ratio of different welding process

Fig.9 Mechanical properties of welding pieces under different welding processa—tensile strength of weld b—hardness of weld

焊接工藝方案對焊縫的熔寬影響不大，但對熔深的影響明顯。兩面焊、填粉焊接都能有效的提高焊縫的熔深和深寬比，雙面焊可以使熔深增加1倍，而Al-0.05Mg填粉單面焊使焊縫熔深增加更明顯。其中，Al-0.05Si增加焊縫熔深和深寬比效果最好。與圖3相比，填粉焊接比試樣表面處理增加熔深、提高深寬比效果更好。

［15］中也指出，添加合金粉末改變了對激光的吸收方式，熔池獲得的激光能量增加，合金粉末可以直接吸收激光能量還吸收由母材表面反射的激光能量或者將其反射回材料表面。添加合金粉末使激光有效利用率大大提高，改善焊縫成形，使焊縫熔深增加。

2.2.2 焊縫力學性能 圖9a為不同焊接工藝方案的焊縫抗拉強度?？梢钥闯觯捎秒p面焊、填粉焊接都能使焊縫抗拉強度提高1倍以上，尤其是Al-0.05Si填粉焊接提升焊縫抗拉強度效果最好。與圖6相比，雙面焊及Al-0.05Mg填粉焊比表面處理焊縫強度稍高，而Al-0.05Si填粉焊縫強度明顯提高。

雙面焊強度增加的原因是第2道次焊接對第1道次焊縫熱處理作用，使熔合區缺陷減少，強度增加。Al-0.05Mg填粉焊使焊縫燒損的Mg元素得到有效的補充，Mg能顯著地提高合金的強度，合金中出現更多的α(Al)與Mg3Al8共晶體，另外，Al-0.05Mg填粉有效地提高了激光吸收率，熔深增加，熔合區熔合效果好，缺陷減少，這些因素都能有效地使焊件抗拉強度增加。Al-0.05Si填粉焊由于Mg元素的燒損和Si元素的增加，焊縫成分更接近于4000系Al-Si合金，生成片狀α(Al)固溶體和α(Al)-Si共晶體(共晶點12.6%)，也有β(Al5FeSi)相存在，另外，Al-0.05Si填粉焊有效地提高了激光吸收率，熔深增加，熔合區熔合效果好，缺陷減少，這些因素都能有效地使焊件抗拉強度增加。

圖9b為不同焊接工藝方案的焊縫硬度。雙面焊焊縫硬度比單面焊稍有提升，但熔合區硬度有明顯提高。填粉焊接硬度變化趨勢與其它完全不同，焊縫硬度很低，但到熔合區硬度大幅提高。熱影響區從融合線到母材硬度逐漸增加，但雙面焊、填粉焊熱影響區的硬度明顯低于單面焊。

雙面焊第2道次焊接對第1道次有熱處理作用，在此過程中促進了Mg3Al8固溶，在隨后的彌散析出后焊縫和熔合區硬度相應提高，另外，第2道次促進第1道次熔合區擴散，使熔合區組織均勻致密，硬度提高。填粉焊接提高激光吸收率，熔池溫度高，結晶晶粒粗大，因此焊縫硬度降低。也是由于填粉焊接提高激光吸收率，熔合區熔化效果好，組織更致密，另外，由于Mg在液態鋁中溶解度比固態鋁溶解度大所以焊接過程中Mg由固態鋁向液態鋁擴散，而邊緣處和熔池底部Mg蒸發少，所以熔合線附近Mg含量高于焊縫中心，所以熔合線附近硬度高［16］。熱影響區的軟化主要是α(Al)相晶粒長大及Mg3Al8相的溶解或長大造成的，由于雙面焊、填粉焊接都增加了激光吸收率，熱影響區溫度高，熱影響區軟化更明顯。

3 結論

(1)鋁合金原始表面和堿蝕表面處理的試樣焊接過程不穩定，焊件未焊透;硫酸、磷酸陽極氧化的試樣焊接過程較穩定，焊接過程形成了穩定的小孔效應。(2)不同表面狀態下的焊縫熔寬都在1.0mm左右，陽極氧化試樣焊縫熔深和深寬比增大;兩面焊、填粉焊接都能有效提高焊縫熔深和深寬比，Al-0.05Si增加效果最好。(3)原始表面的試樣焊縫抗拉強度32.5MPa，堿蝕試樣強度為39.2MPa，陽極氧化的試樣和雙面焊、填粉焊焊縫抗拉強度提高1倍以上，Al-0.05Si填粉焊提升焊縫抗拉強度效果最好為72MPa。(4)表面處理試樣焊縫和熔合區硬度都有所提高，磷酸陽極氧化試樣提高明顯，其焊縫中心硬度為66.5HV，熔合區硬度分別為62HV，熱影響區后硬度隨距焊縫中心距離增加至母材硬度。雙面焊焊縫硬度高于單面焊焊縫硬度為63.8HV;填粉焊焊縫硬度降低，Al-0.05Mg填粉焊硬度最低為43HV;3種工藝熔合區硬度均高于單面焊，Al-0.05Mg熔合區硬度最高為60.8HV;雙面焊、填粉焊熱影響區的硬度明顯低于單面焊。

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