基于激光技術(shù)的高強鋁合金焊接性能分析

王 亮

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730207）

高強鋁合金一般是Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg-Cu為基礎(chǔ)的合金材料，其金屬構(gòu)成上主要以韌性金屬為主，因此，其拉伸強度較高，通常達到480MPa以上[1]。而該類鋁合金由于在化學(xué)成分、熔煉、凝固方式以及加工工藝及熱處理機制方面存在不同，因此，合金的性能存在很大差異，明顯的表征為強度不同[2]。目前，鋁合金的最高強度可以達到900MPa，這種高強度除了受構(gòu)成金屬的材料屬性影響外，鋁合金的密度較小也是主要影響因素，這種特性雖然在強度上是積極因素，但是因為加大了焊接的難度，在金屬材料加工上起到了一定的負面影響[3]。因此，針對高強鋁合金的焊接工藝研究成為了提高其應(yīng)用范圍的重要環(huán)節(jié)。激光技術(shù)是從分子角度對金屬材料的組織進行重造，并已經(jīng)在高強鋁合金金屬的焊接中得到了廣泛的使用[4]。為了進一步確定不同因素對焊接性能的影響，本文提出基于激光技術(shù)的高強鋁合金焊接性能分析，通過測試分析了不同因素對焊接質(zhì)量的影響。通過本文的研究，以期為激光技術(shù)在高強鋁合金焊接中的應(yīng)用提供幫助。

1 高強鋁合金激光焊接性能分析

1.1 試驗材料及處理

實驗所用的激光焊接系統(tǒng)由CNC控制臺、大功率激光源、焊接工作頭、送絲以及電氣保護裝置組成，在焊接過程中，通過CNC主控制臺調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，實現(xiàn)控制激光工作頭、送絲和電氣保護系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，同時，焊接參數(shù)實時傳輸?shù)紺NC控制臺，以此實現(xiàn)參數(shù)波動的有效監(jiān)測。圖1為具體的測試裝置，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 激光焊接系統(tǒng)

表1 激光焊接裝置參數(shù)統(tǒng)計表

實驗選擇的鋁合金母材的規(guī)格為150mm×50mm×3mm的2024高強鋁合金，熱處理狀態(tài)為T3態(tài)，母材屬于2×××系列的高強度鋁合金，構(gòu)成元素包括銅和鎂，其是現(xiàn)階段生產(chǎn)施工中應(yīng)用較為廣泛的一種硬鋁，具備高強度的同時，具有良好的切削性能。該母材的主要參數(shù)如表2所示。

表2 實驗?zāi)覆膮?shù)

在母材進行實驗測試前，首先，通過齒輪打磨的方式對其表面進行拋光處理，完成去除表面的氧化膜的目的，進而減少干擾因素對實驗結(jié)果的影響，同時，起到增加母材表面粗糙度的目的，便于激光能量在母材中得到更高的吸收效果。

考慮到2024鋁合金的凝固溫度區(qū)間較大，在試驗期間添加了焊絲，以此降低出現(xiàn)熱裂紋的概率。本文使用的焊絲為Al-Si系列的ER4043，其中Si的含量為4.5%～6.0%，也正是因為受到元素屬性的影響，液態(tài)下的焊絲具有較高的流動性，且其以較小的收縮率完成凝固，在液態(tài)下形成的低熔點共晶，實現(xiàn)對裂紋的有效愈合。焊絲的主要構(gòu)成為Si（4.5-6.0）、Fe（0.6-0.8）、Cu（0.3）、Mn（0.05）和Zn（0.10）。

1.2 性能測試

在上述基礎(chǔ)上，本文分別利用連續(xù)激光焊接技術(shù)和脈沖激光焊接技術(shù)對母材進行焊接加工。焊接過程中使用的保護氣體為Ar，保護氣體的給進流量為30L/min，以此為基礎(chǔ)，對比了不同條件下焊接的性能。

其中，按照0.2m/s的速度進行的連續(xù)激光焊接效果如表3所示。

表3 連續(xù)激光焊接性能統(tǒng)計表

根據(jù)表3可知，在連續(xù)激光作用下，母材焊接的抗拉強度隨著輸出功率的增加而呈現(xiàn)出波動趨勢，其中，輸出功率為3.0 kW時，抗拉強度最高，其值達到420.10MPa，這表明過高或過低的輸出功率并不會提高鋁合金的焊接效果。其次，通過觀察相同輸出功率下，不同離焦量對抗拉強度的影響，可以發(fā)現(xiàn)離焦量為0時，母材焊接的抗拉強最高，表明離焦量也會對連續(xù)激光焊接的性能產(chǎn)生影響。

在上述性能測試的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置不同的脈沖焊接參數(shù)，按照0.3m/s的速度進行母材的焊接處理，統(tǒng)計了不同狀態(tài)下的焊接效果，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 脈沖激光焊接性能統(tǒng)計表

從表4中可以看出，隨著激光脈沖能量的增加，母材的抗拉強度出現(xiàn)了明顯的波動，當脈沖能量為70J時，母材的抗拉強度最高，這是因為當脈沖能量偏低時，無法實現(xiàn)完全熔化母材，其內(nèi)部未徹底溶解，導(dǎo)致焊接效果不理想。當脈沖能量偏高時，母材出現(xiàn)了過度溶解的現(xiàn)象，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)被完全打破，重構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)完整對接，導(dǎo)致抗拉強度的下降。

除此之外，通過分析相同脈沖能量下，不同脈寬與母材抗拉強度之間的關(guān)系可知，在三組實驗的數(shù)據(jù)中，焊接效果均是30mm的脈沖寬度最好，其原理與脈沖能量一致，均是由于母材熔化程度不同引起的。

2 結(jié)語

鋁合金金屬材料在越來越多的領(lǐng)域中都得到廣泛應(yīng)用，為了提高其在不同工作環(huán)境下的適應(yīng)性，合理的焊接加工十分必要。

高強度的鋁合金雖然在穩(wěn)定性和抗氧化等方面表現(xiàn)卓越，但對其焊接時，產(chǎn)生新的難題。激光焊接技術(shù)是從分子的角度對材料進行連接，因此，與其他焊接技術(shù)相比，其具有更高的可靠性。

本文提出基于激光技術(shù)的高強度鋁合金焊接性能分析研究，并進行實際驗證，希望為提高激光焊接技術(shù)在鋁合金構(gòu)架搭建中的應(yīng)用提供有價值的參考，拓寬焊接工藝的發(fā)展空間，為多樣化、復(fù)雜化鋁合金構(gòu)架設(shè)計的實現(xiàn)提供基礎(chǔ)條件。