1mm鋁殼脈沖激光立焊力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

陳一峰

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050）

1mm鋁殼脈沖激光立焊力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

陳一峰

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050）

以1mm厚的鋁板為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，采用脈沖激光進(jìn)行鋁殼立焊焊接實(shí)驗(yàn)，對(duì)焊接速度、脈沖能量進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)焊接試樣抗拉強(qiáng)度測(cè)試、焊縫的形貌和顯微硬度的分析，焊縫熱影響區(qū)較小，焊縫區(qū)的強(qiáng)度、硬度和母材接近。

鋁板；立焊；脈沖激光；實(shí)驗(yàn)

激光焊接是一種新興的焊接工藝，它相對(duì)各種傳統(tǒng)焊接最大的優(yōu)勢(shì)就是熱影響范圍小，變形小，焊縫精美。鋁合金具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能［1］，目前被廣泛用于新能源汽車行業(yè)，為了減輕其自重，采用激光焊接其車身，可以延長(zhǎng)電池巡航能力。本文以光纖激光器為熱源進(jìn)行鋁合金的立焊實(shí)驗(yàn)，從脈沖能量和焊接速度角度出發(fā)，對(duì)鋁合金的激光立焊力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

1　焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用IPG光纖激光器，波長(zhǎng)為1064 nm，最大輸出功率2 kW，光束質(zhì)量因素BBP=20 mm mrad，準(zhǔn)直F=120mm，聚焦鏡焦距F=200mm.

1.2實(shí)驗(yàn)材料

焊接試件尺寸為250mm×250mm×1mm長(zhǎng)方體，材料為鋁合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）見表1.

表1　鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.3實(shí)驗(yàn)方法

焊接試驗(yàn)中，分別調(diào)節(jié)脈沖能量（60J-125J）和焊接速度（25 mm/s～50 mm/s）二個(gè)工藝參數(shù)，每個(gè)參量分別進(jìn)行6組實(shí)驗(yàn)，焊接前對(duì)試件進(jìn)行清洗，采用100倍的放大鏡對(duì)焊縫的寬度進(jìn)行測(cè)量，用線切割切割焊縫的橫斷面，再進(jìn)行微觀組織分析，利用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)樣件進(jìn)行拉伸測(cè)試，分析各焊接參數(shù)對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響［2-3］。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1脈沖能量對(duì)立焊焊縫形貌的影響

采用脈沖焊接，離焦量均設(shè)為零，速度設(shè)為40 mm/s，脈沖寬度設(shè)為30 ms，保護(hù)氣體氮?dú)獾牧髁髁吭O(shè)為15 L/min，焊接工藝參數(shù)見表2.

表2　焊接工藝參數(shù)

在本組實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，當(dāng)脈沖能量較低時(shí)，焊縫表面不平且無法焊透，成型不良；當(dāng)脈沖能量逐漸增大時(shí)，焊縫寬度隨脈沖能量增加而逐漸增大，但當(dāng)脈沖能量增加到一定程度時(shí)，焊縫表面魚鱗紋形貌尤為突出，圖1中的（a）圖是脈沖能量等于60J時(shí)的形貌，焊縫過窄，且沒有焊透，（c）和（d）雖然都焊透了，但是焊縫過寬，熱影響嚴(yán)重，尤其是脈沖能量上升到125J時(shí)，焊縫出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，而（b）是脈沖能量為90J時(shí)的形貌，焊縫表面成型最佳，因此90J為最佳脈沖能量。

圖1　焊縫表面宏觀形貌

2.2焊接速度與立焊焊縫寬度的關(guān)系

速度與立焊焊縫寬度的關(guān)系如表3所示。

表3　速度與立焊焊縫寬度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)焊接速度在25mm/s～50mm/s時(shí)，焊縫都能焊透，且表面形貌較好，焊接速度對(duì)焊縫寬度的影響如圖2，圖3所示。

圖2　焊接速度與焊縫寬度的變化關(guān)系

圖3　焊接速度與抗拉強(qiáng)度關(guān)系

在圖2中，我們看到，隨著焊接速度的提高，焊縫寬度下降，是因?yàn)楸３置}沖能量不變，當(dāng)提高焊接速度，激光與鋁板作用時(shí)間減少，熔化的材料也減少，導(dǎo)致立焊縫寬降低。

2.3焊接接頭拉伸強(qiáng)度

本組實(shí)驗(yàn)中采用的焊接接速度由25 mm/s到50 mm/s變化，共6組數(shù)據(jù)，所有試件均能焊透，當(dāng)焊接速度較慢時(shí)，出現(xiàn)焊縫變黃、變寬，背部出現(xiàn)塌陷，熱影響區(qū)增加；當(dāng)焊接速度較快時(shí)。當(dāng)焊接熔深不夠，焊縫過窄。根據(jù)脈沖能量大小變化，對(duì)焊接接頭按標(biāo)準(zhǔn)切割成拉升試件進(jìn)行拉升強(qiáng)度測(cè)試，試件1 mm厚，20mm寬，其它參數(shù)見表4.

表4　速度與立焊焊縫寬度的關(guān)系

當(dāng)焊接速度處于30mm/s時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度最高，與母材強(qiáng)度相當(dāng)，而低于30 mm/s和大于30mm/s的抗拉強(qiáng)度均小于母材抗拉強(qiáng)度的，另外在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)斷裂的都在熱影響區(qū)，因此在本實(shí)驗(yàn)焊接中30mm/s為最佳焊接速度。

2.4焊接接頭顯微硬度分布

顯微硬度測(cè)試用來測(cè)定金屬組織中組成相的硬度，以此鑒定合金相的類別和屬性［4-5］。焊接焊縫微觀形貌截面圖如圖4和圖5所示。焊接接頭區(qū)域內(nèi)分布著奧氏體和鐵素體，熱影響區(qū)晶粒變化不大。

圖4　焊縫截面形貌

圖5　焊縫微觀組織

焊接接頭分為母材區(qū)、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，在焊縫區(qū)取7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，-2～-1.5和1.5～2為母材區(qū)，-1.5～-0.5和0.5～1.5為熱影響區(qū)，-0.5～0.5為焊接區(qū)，從圖6中可以看出，熱影響區(qū)的硬度最低，由于熱影響區(qū)寬度較窄，所以對(duì)接頭性能影響不大，焊縫區(qū)的硬度和母材相近，焊接效果良好。

圖6　立焊接接頭硬度分布

3　結(jié)束語

脈沖激光立焊焊接過程中脈沖能量和焊接速度是對(duì)焊縫力學(xué)性能最大的因素，脈沖激光立焊焊接鋁板獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)，熱影響區(qū)抗拉強(qiáng)度略低于焊縫處，且容易發(fā)生斷裂的也是熱影響區(qū)，所以減少熱影響是十分重要的。焊接接頭硬度與略高于母材，但也是在熱影響區(qū)內(nèi)硬度降低明顯。

［1］苗玉剛，陳彥賓，等.鋁合金激光立焊特性分析［J］.焊接學(xué)報(bào)，2007，28（10）:57-60.

［2］洪蕾，吳剛，陳武柱.保護(hù)氣流對(duì)CO2激光焊接鋁合金的影響［J］.中國(guó)激光，2005，32（11）:1571-1576.

［3］馬東升.超高強(qiáng)度鋼激光焊接工藝與接頭力學(xué)性能［J］.電焊機(jī)，2011，41（12）:35-38.

［4］李娜，馬志華.AZ31鎂合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭組織和疲勞性能研究［J］.熱加工工藝，2016，45（7）:221-226.

［5］張大文.鋁合金激光焊接工藝研究.碩學(xué)位論文北京：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2012.

ExperimentalStudy on Pulsed LaserWelding of 1mm Alum inum Shell

CHEN Yi-feng
（Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan Hubei 430050，China）

In this paper，the 1mm thick aluminum plate as the experimental research object，using the pulse laser to carry out the welding experiment of the aluminum shell，optimize the welding speed and pulse energy.Through the analysis of tensile strength test，weld appearance and micro hardness，the heat affected zone is small，the strength and hardness of the weld zone is close to that of the basemetal.

aluminum plate；vertical welding；pulsed laser；experiment

TM 743

A

1672-545X（2016）05-0241-02

2016-02-21

陳一峰（1976-），男，湖南長(zhǎng)沙人，講師，碩士研究生，主要研究方向：激光工程。