6061鋁合金型材激光填絲焊工藝研究

周金旭，賈永強，李強，張威，林相遠

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧陽 111003

1 序言

鋁合金因其密度低、比強度高、焊接性能良好及回收利用率高等優點被廣泛應用于航空航天、軌道車輛、汽車制造等領域[1]，但是在TIG、MIG焊接鋁合金過程中會產生較大的焊接變形和接頭軟化問題，大大降低了焊接結構的精度及質量。激光焊接與傳統TIG、MIG焊相比能量更為集中，具有更低的熱輸入及變形，因此鋁合金激光焊接受到廣泛關注。激光填絲焊是在激光焊基礎上發展而來的，其優點是對裝配間隙容忍度更高，同時可以改善焊縫的合金成分，提高焊接質量[2]。本文針對1.5mm厚6061鋁合金型材進行激光填絲焊，研究了焊接參數對焊縫質量的影響，并對接頭進行了拉伸、硬度測試，分析了接頭不同位置的微觀組織。

2 試驗材料及方法

試驗母材為6061鋁合金型材，T6態，型材截面如圖1a所示，試板尺寸為300mm×150mm×2mm。填充材料為E R4047焊絲、φ1.2m m。保護氣體為A r，純度＞99.99%，母材和焊絲化學成分見表1，母材平均抗拉強度為312MPa，屈服強度為276.5MPa，斷后伸長率為11.34%。

焊接采用了TRUDISK8002激光器，激光通過φ200μm的光纖進行傳輸，KUKAKR90工業機器人作為機械傳動系統及Fronius VR7000送絲機構，焊縫采用對接不開坡口，焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動鋼絲刷打磨焊縫及其兩側25mm區域內氧化膜至露出金屬光澤，并用酒精對待焊部位進行清理。焊接過程如圖1b所示。

圖1 型材截面及焊接過程

表1 6061鋁合金和ER4047焊絲化學成分（質量分數） （%）

3 試驗結果與分析

3.1 焊縫成形情況

激光填絲焊接過程中涉及的主要焊接參數有離焦量、焊接速度、送絲速度與激光功率等。本試驗過程中離焦量為0、焊接速度為3m/min等參數保持不變，研究了激光功率、送絲速度、激光入射角度對焊縫成形的影響[3]。

（1）激光功率對焊縫成形的影響 隨著激光功率的變化，焊縫熔深、熔寬及余高發生了明顯變化，圖2所示為不同激光功率焊接下的焊縫外觀及截面形貌[4]，激光入射角90°，送絲速度3.5m/min。從焊縫外觀及截面形貌可知，當激光功率由4kW增加到5.5kW時，焊縫余高逐漸減小，熔深增加，背部熔透增大，熔寬增大。當激光功率過大時將引起焊縫塌陷[5]。激光功率的增加直接加大了焊接熱輸入，適當的焊接熱輸入可以使填充金屬與熔池鋪展開，增加了熔寬及熔深，減小了焊縫余高，因此合適的激光功率將會得到優質的焊接接頭。

（2）送絲速度對焊縫成形的影響 圖3為不同送絲速度下焊縫外觀及截面形貌[6]，送絲速度分別為3.5m/min、4.5m/min、5.5m/min，激光功率3.5kW，激光入射角90°。從圖3中明顯可以看出，當送絲速度增加時焊縫熔深減小，當焊接接頭處在熔透的臨界狀態時送絲速度的增加將導致接頭熔深減小，原因是冷絲的加入需要熔化的熱量大于吸收的熱量，熔池單位體積熱量減少，將會引起焊縫未熔透，不能實現單面焊雙面成形。

圖2 不同激光功率焊縫外觀及截面形貌

（3）激光入射角對焊縫成形的影響 在鋁合金型材焊接過程中，激光入射角對焊縫質量有很大影響，圖4為不同激光入射角焊接，功率4kW，送絲速度3.5m/min，焊接入射角分別為60°、90°、120°，圖5為不同入射角焊縫外觀及截面形貌。從圖5a可以看出，當激光束入射角為60°時焊縫熔深更大，更容易被焊透，原因是入射角為60°時激光束對型材薄板側作用更大，激光束可以直接將薄板一側焊透形成匙孔，且匙孔更為穩定。當光束入射角為120°時，激光束更直接地作用于立筋厚板處，吸收了更多能量，焊接接頭實現單面焊雙面成形相對困難，立筋熔深更大，同時激光功率過大將導致立筋處焊穿（見圖5f）。當激光入射角為90°時焊縫成形較好（見圖5d），實現了單面焊雙面成形。

圖4 激光束不同入射角度焊接

圖5 不同激光入射角焊縫外觀及截面形貌

3.2 拉伸性能分析

當激光功率為4.0kW、送絲速度為3.5m/min、焊接入射角為90°時，焊縫成形良好，對焊接接頭進行力學性能試驗。根據GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行拉伸試樣的制備，焊后使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗機對焊接接頭進行橫向拉伸破壞性試驗，結果見表2。拉伸斷裂試樣如圖6所示，焊接接頭的平均抗拉強度為276MPa，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區[7]，焊接接頭的抗拉強度達到母材抗拉強度的88%[8]。

表2 拉伸試驗結果

圖6 焊接接頭拉伸斷裂試樣

3.3 接頭硬度

使用FV-810 型維氏顯微硬度計沿焊接接頭中心進行硬度測試，測試點間距0.5mm，測試點從母材一側經過熱影響區、焊縫區至焊縫另一側母材[9]。對焊接接頭進行硬度分析發現，焊接接頭硬度最低處出現在接頭熱影響區，硬度值為68.2HV，熱影響區硬度在68~95HV之間，這與拉伸斷裂位置一致，說明熱影響區存在軟化，從硬度分布（見圖7）可以發現，單側熱影響區寬度為4~5mm。

3.4 焊接接頭金相組織

使用蔡司M2m光學顯微鏡對焊接接頭不同位置進行金相觀察，圖8a為母材金相組織，從中可以看出母材組織較為粗大。圖8b、圖8c分別為熔合線及焊縫組織，分析發現焊縫組織為細小的樹枝晶，熔合線靠近焊縫一側為粗大的柱狀晶，由熱影響區一側向焊縫中心伸展，靠近熱影響區側則存在細小的等軸晶，原因是靠近熱影響區側母材與填充材料成分不同，熔化過程中發生冶金反應，化學成分發生改變，過冷度更大，形核質點增加，形核速度更快，晶粒更為細小。

圖8 焊接接頭顯微組織

4 結束語

1）增大激光功率后，焊縫熔深隨之增加，余高減小，背部熔透較大，過大的激光功率將導致焊縫塌陷。當焊接接頭處在熔透的臨界狀態時，送絲速度的增加將導致接頭未焊透。激光入射角在鋁合金型材焊接過程中對焊縫質量有一定影響，入射角為90°時接頭質量較高。

2）試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區，平均抗拉強度達到276MPa，達到母材抗拉強度的88%。

3）從金相組織可以看出，母材組織較為粗大，焊縫組織為細小的樹枝晶，熔合線靠近母材一側為粗大的柱狀樹枝晶，靠近熱影響區存在細小的等軸晶。

4）焊接接頭硬度最低處出現在接頭熱影響區，硬度值為68.2HV，單側熱影響區寬度為4~5mm。