鋁合金薄板無氣體保護激光焊接組織與性能研究

■ 張鈞超，趙福城，孫巍，徐玉君

1. 概述

在焊接領域中，保護氣體對焊接過程和質量起著至關重要的作用。如在弧焊中，保護氣體可以有效避免焊接氣孔、提高焊縫質量、避免材質氧化、提高焊熔敷率、控制飛濺，以及減少焊后清渣、控制焊縫成形、減少過度焊接、提高焊接速度、控制焊接煙塵等作用。在激光焊接中，保護氣體作為一個影響激光焊接工藝特性的關鍵因素，可以通過稀釋金屬蒸氣和光致等離子體濃度抑制屏蔽效應，提高激光吸收率，達到激光深熔焊的效果，進而提高焊接工藝穩定性和焊縫質量；同時具有保護高溫區焊縫不被污染和氧化的作用，特別對于在高溫下化學性質極其活潑的、易于氧化、易于電離的鋁合金類有色金屬材料的激光焊接，保護氣體對于保證焊接質量起著至關重要的作用。但目前很少有關于無氣保護焊接方面研究的相關報道。

本文主要應用激光焊接技術對1mm厚3A21鋁合金軋制板材進行了有氣體保護和無氣體保護激光焊接對比試驗，以及對焊縫成形的影響，并在工藝研究基礎上，借助光學顯微鏡、萬能拉伸試驗機對有、無氣體保護3A21鋁合金激光焊接接頭進行金相組織觀察和力學性能檢測，研究了有、無氣體保護對激光焊焊接鋁合金接頭組織和力學性能影響，為無氣體保護鋁合金薄板工藝開發提供參考。

2. 試驗材料、設備及方法

試驗母材為1mm厚的3A21—O鋁合金軋制板材，尺寸規格為300mm×150mm×1mm。該合金屬于防銹鋁，不可熱處理強化，合金塑性較高但強度較低，常用冷加工方法提高其力學性能。此合金具有良好的加工性能、抗蝕性強、焊接性能好等特點，廣泛應用于飛機油箱、油路導管、燃料箱、薄板加工的各種壓力容器管道、薄板加工件、建筑加工件、各種燈具零部件及鉚釘線材等。3A21、3A21—O鋁合金的化學成分和力學性能如表1、表2所示。

試驗采用了由KUKA—KR90六軸工業機器人控制的激光焊接系統，其中包括德國TRUMPF生產的Trudisk 8002碟片式激光器，最大輸出功率8 k W；HIGHYAG BIMO激光焊接頭，焦距為310mm，激光通過芯徑200μm的光纖傳輸經激光焊接頭聚焦后獲得最小光斑直徑為0.42mm，采用有、無氣體保護進行1mm厚薄板3A21激光自熔焊接對比試驗。

焊前，采用機械方法對坡口面及坡口兩側25mm范圍進行表面清理去除表面氧化膜、油污等外來雜質，同時增大了母材表面粗糙度，增加母材對激光的吸收率。激光焊接參數如表3所示。在工藝試驗結束后，對有、無氣體保護的3A21鋁合金激光焊接試件進行射線（RT）檢測，RT檢測后從兩試件上分別取樣，處理后進行拉伸，并進行宏觀及微觀組織形貌分析。

焊前進行工藝優化，焊后對焊縫進行射線（RT）檢測、金相組織觀察和力學性能拉伸試驗。

3. 試驗結果

（1）焊縫成形 圖1和圖2為有、無氣體保護激光焊焊縫表面成形情況。由圖1、圖2可看出，有氣體保護的焊縫表面無明顯塌陷，焊縫正反面成形良好、均勻美觀。無氣體保護焊縫的表面焊縫寬度一致，較為均勻，正反表面較粗糙，正面存在有一定程度的塌陷和小凹坑。分析認為，可能是由于在焊接過程中，熔池表面與空氣發生激烈反應產生飛濺，導致表面塌陷或凹坑。氬氣保護有助于改善焊縫表面成形。

（2）射線檢測（RT） 圖3為有、無氣體保護激光焊接試件X射線底片。由圖3可看出，兩種焊接接頭均未見氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，焊接接頭質量符合ISO13919.2 B級要求。說明對于鋁合金薄板激光焊時，可以不采取氣體防護。

（3）金相組織 圖4為3A21鋁合金焊接接頭的顯微組織。圖4a和圖4b為3A21鋁合金有無氣體保護焊縫顯微組織，二者無明顯差別，均為典型的鑄造態組織。鋁合金激光焊加熱時，焊縫處的溫度高達2000℃，熔池在經歷了一系列化學冶金反應后，隨著熱源的遠離溫度迅速下降，凝固后成為牢固的焊縫。由于鋁合金激光焊熔池非常小，鋁合金導熱系數較大，熔池經歷快速加熱和快速冷卻結晶過程，形成了典型的急冷鑄態細小的結晶組織。熔合區溫度梯度較大，沿著散熱較快方向的反向晶粒長大速度較快，即借助半熔化的晶粒形核，沿垂直于熔合線方向發生聯生柱狀晶粒生長，且在靠近熔合線母材一側較窄區域內發生再結晶，熱影響區晶粒無明顯長大。圖4c和圖4d為有、無氣體保護的熔合區組織，二者同樣無明顯區別。

圖1 3A21激光焊接有氣體保護焊縫宏觀形貌

圖2 3A21激光焊接無氣體保護焊縫宏觀形貌

圖3 3A21鋁合金激光焊接試件X射線底片

表1 3A21鋁合金化學成分（質量分數） （%)

表2 3A21—O鋁合金力學性

表3 激光焊接參數

（4）焊接接頭力學性能 表4為3A21鋁合金焊接接頭的常溫拉伸試驗結果（見圖5）。由表4可知，有氣體保護激光焊接接頭平均抗拉強度為117MPa，無氣體保護激光焊接接頭平均抗拉強度為118MPa，二者接頭強度相當，都能達到母材強度的77%，抗拉強度明顯均低于母材抗拉強度；有氣體保護的接頭斷裂在熱影響區，而無氣體保護焊接接頭在熔合線處斷裂，分析認為，造成這一結果的原因可能是焊縫表面存在咬邊，造成熔合線處產生應力集中。

圖4 焊接頭金相組織

圖5 3A21鋁合金激光焊接接頭拉伸斷裂試樣

表4 拉伸試驗結果

4. 結語

（1）采用激光焊接3A21薄板鋁合金時，氬氣保護焊縫成形均勻美觀，無氣體保護焊縫成形略差，氣體保護有助于改善焊縫表面成形。有、無氬氣保護激光焊接都可獲得內部無缺陷接頭，二者接頭強度相當，都能達到母材強度的77%。

（2）3A21鋁合金激光焊接接頭焊縫區為典型的極冷鑄造態組織，熔合區為聯生柱狀晶組織，靠近熔合線母材側發生小區域再結晶，熱影響區晶粒無明顯長大。

（3）激光焊接鋁合金薄板，如對表面要求不高，無氣體保護激光焊接工藝將是更經濟、更易于實現生產應用的一種工藝方法。

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