1mm鋁殼脈沖激光立焊力學性能實驗研究

陳一峰

（武漢船舶職業技術學院，湖北武漢430050）

1mm鋁殼脈沖激光立焊力學性能實驗研究

陳一峰

（武漢船舶職業技術學院，湖北武漢430050）

以1mm厚的鋁板為實驗研究對象，采用脈沖激光進行鋁殼立焊焊接實驗，對焊接速度、脈沖能量進行優化。通過對焊接試樣抗拉強度測試、焊縫的形貌和顯微硬度的分析，焊縫熱影響區較小，焊縫區的強度、硬度和母材接近。

鋁板；立焊；脈沖激光；實驗

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

1　焊接實驗設計

1.1實驗設備

實驗采用IPG光纖激光器，波長為1064 nm，最大輸出功率2 kW，光束質量因素BBP=20 mm mrad，準直F=120mm，聚焦鏡焦距F=200mm.

1.2實驗材料

焊接試件尺寸為250mm×250mm×1mm長方體，材料為鋁合金，其化學成分（質量分數，%）見表1.

表1　鋁合金的化學成分（質量分數，%）

1.3實驗方法

焊接試驗中，分別調節脈沖能量（60J-125J）和焊接速度（25 mm/s～50 mm/s）二個工藝參數，每個參量分別進行6組實驗，焊接前對試件進行清洗，采用100倍的放大鏡對焊縫的寬度進行測量，用線切割切割焊縫的橫斷面，再進行微觀組織分析，利用萬能試驗機對樣件進行拉伸測試，分析各焊接參數對焊縫強度的影響［2-3］。

2　試驗結果與分析

2.1脈沖能量對立焊焊縫形貌的影響

采用脈沖焊接，離焦量均設為零，速度設為40 mm/s，脈沖寬度設為30 ms，保護氣體氮氣的流流量設為15 L/min，焊接工藝參數見表2.

表2　焊接工藝參數

在本組實驗當中，當脈沖能量較低時，焊縫表面不平且無法焊透，成型不良；當脈沖能量逐漸增大時，焊縫寬度隨脈沖能量增加而逐漸增大，但當脈沖能量增加到一定程度時，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，熱影響嚴重，尤其是脈沖能量上升到125J時，焊縫出現過燒現象，而（b）是脈沖能量為90J時的形貌，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系

速度與立焊焊縫寬度的關系如表3所示。

表3　速度與立焊焊縫寬度的關系

實驗結果顯示，當焊接速度在25mm/s～50mm/s時，焊縫都能焊透，且表面形貌較好，焊接速度對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系

圖3　焊接速度與抗拉強度關系

在圖2中，我們看到，隨著焊接速度的提高，焊縫寬度下降，是因為保持脈沖能量不變，當提高焊接速度，激光與鋁板作用時間減少，熔化的材料也減少，導致立焊縫寬降低。

2.3焊接接頭拉伸強度

本組實驗中采用的焊接接速度由25 mm/s到50 mm/s變化，共6組數據，所有試件均能焊透，當焊接速度較慢時，出現焊縫變黃、變寬，背部出現塌陷，熱影響區增加；當焊接速度較快時。當焊接熔深不夠，焊縫過窄。根據脈沖能量大小變化，對焊接接頭按標準切割成拉升試件進行拉升強度測試，試件1 mm厚，20mm寬，其它參數見表4.

表4　速度與立焊焊縫寬度的關系

當焊接速度處于30mm/s時，試樣的抗拉強度最高，與母材強度相當，而低于30 mm/s和大于30mm/s的抗拉強度均小于母材抗拉強度的，另外在測試中發現出現斷裂的都在熱影響區，因此在本實驗焊接中30mm/s為最佳焊接速度。

2.4焊接接頭顯微硬度分布

顯微硬度測試用來測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。焊接接頭區域內分布著奧氏體和鐵素體，熱影響區晶粒變化不大。

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、焊縫區和熱影響區，在焊縫區取7個點進行顯微硬度測試，-2～-1.5和1.5～2為母材區，-1.5～-0.5和0.5～1.5為熱影響區，-0.5～0.5為焊接區，從圖6中可以看出，熱影響區的硬度最低，由于熱影響區寬度較窄，所以對接頭性能影響不大，焊縫區的硬度和母材相近，焊接效果良好。

圖6　立焊接接頭硬度分布

3　結束語

脈沖激光立焊焊接過程中脈沖能量和焊接速度是對焊縫力學性能最大的因素，脈沖激光立焊焊接鋁板獲得的焊接接頭抗拉強度與母材相當，熱影響區抗拉強度略低于焊縫處，且容易發生斷裂的也是熱影響區，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，但也是在熱影響區內硬度降低明顯。

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

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

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

［4］李娜，馬志華.AZ31鎂合金激光-MIG復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.碩學位論文北京：長春理工大學，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，湖南長沙人，講師，碩士研究生，主要研究方向：激光工程。