焊接工藝參數(shù)對(duì)鋁/鋁激光焊焊縫形貌及力學(xué)性能的影響

吳雁， 李朝陽(yáng)， 郭立新， 肖禮軍， 孫士學(xué)

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418；2.上海物理氣相沉積(PVD)超硬涂層及裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201418；3.昆山申光電子機(jī)械廠，江蘇 蘇州215321)

0 前言

鋁合金在焊接過程中容易出現(xiàn)咬邊、未熔合、裂紋等缺陷，影響加工質(zhì)量[1-3]。激光焊接具有熱影響區(qū)窄、焊接速度快、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，適用于鋁合金之間的焊接[4-7]。成健等人[8]對(duì)動(dòng)力電池用的鋁合金進(jìn)行研究，探討了焊接功率和焊接速度對(duì)焊縫形貌和力學(xué)性能的影響。ICE等人[9]采用4 000 W的激光器對(duì)6061鋁合金板進(jìn)行焊接，研究了不同焊接速度對(duì)于氣孔的影響。賈坤寧等人[10]對(duì)2A12/5052異種鋁合金進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，確定了焊縫成形最好，硬度最大的焊接工藝參數(shù)。王磊等人[11]采用光纖激光器對(duì)7A52鋁合金板進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，分析了元素?zé)龘p情況對(duì)焊縫硬度的影響。

文中將動(dòng)力電池鋁極耳材料(1050)和匯流排材料(6061)進(jìn)行焊接(簡(jiǎn)稱鋁/鋁焊接)，研究激光功率和激光速度對(duì)焊縫形貌及力學(xué)性能的影響，對(duì)激光焊接技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到動(dòng)力電池極耳焊接具有一定指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

焊接試驗(yàn)設(shè)備：YSL-1500型光纖焊接器，其最大功率為1 500 W；中心波長(zhǎng)：1 070 nm；光束質(zhì)量：BPP≤2.0 mm·mrad；ABB機(jī)器人型號(hào)為IRB 6640，工作載荷130 kg，工作范圍3.2 m。試驗(yàn)材料：極耳正極材料為1050鋁合金片(O態(tài))，尺寸為40 mm×40 mm×0.3 mm，匯流排材料為6061(T6態(tài))鋁合金板，尺寸為40 mm×40 mm×2 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試樣焊接前，將所有試樣放到95%的乙醇溶液中清洗晾干，去除表面雜質(zhì)。使用YLS-1500型摻鐿光纖激光器以不同的功率和速度對(duì)試樣進(jìn)行疊。焊接后的試樣，沿焊縫垂直方向進(jìn)行切割，然后對(duì)焊縫截面經(jīng)過拋光清洗后，用凱勒試劑進(jìn)行表面腐蝕，隨后采用金相顯微鏡Axio Observer D1M觀察腐蝕后焊縫的宏觀形貌和截面形貌，來分析不同焊接參數(shù)對(duì)焊縫形貌的影響規(guī)律。

對(duì)焊后的試樣進(jìn)行硬度的測(cè)試和抗剪切力的測(cè)試。硬度測(cè)試方向如圖1a所示，加載200 g，加載時(shí)間10 s，由焊縫中心向兩邊測(cè)試，每隔0.2 mm取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)?？辜羟辛y(cè)試方向如圖1b所示，拉伸速度選取5 mm/min，取不同試驗(yàn)條件下的試樣進(jìn)行測(cè)試。

圖1 焊接頭力學(xué)性能測(cè)試

2 焊接工藝參數(shù)對(duì)鋁/鋁焊縫微觀形貌的影響

2.1 激光功率

圖2～圖6為不同激光功率下焊縫的形貌。隨著激光功率的增大(其他參數(shù)不變)，焊縫表面的魚鱗紋現(xiàn)象逐漸減弱，焊縫與母材的交界線也越來越曲折，在激光功率為950 W時(shí)產(chǎn)生了嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象。這是焊縫吸收的能量隨著激光功率的增大而增加導(dǎo)致的。當(dāng)激光功率為550 W時(shí)，激光功率不足，上層1050已經(jīng)被熔穿，而下層6061才剛?cè)刍?，兩者之間存在間隙，容易導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。激光功率為650 W時(shí)，下層6061被激光熔穿，產(chǎn)生了直徑約為50 μm的氣孔。當(dāng)激光功率繼續(xù)增加，焊縫吸收的能量增加，熔池的反應(yīng)愈加劇烈，氣孔數(shù)量和大小增加[12]。

圖2 P=550 W,v=55 mm/s焊縫形貌

圖3 P=650 W,v=55 mm/s焊縫形貌

圖4 P=750 W,v=55 mm/s焊縫形貌

圖5 P=850 W,v=55 mm/s焊縫形貌

圖6 P=950 W,v=55 mm/s焊縫形貌

2.2 焊接速度

圖7～圖11為不同焊接速度下焊縫的形貌。隨著焊接速度的增加(其他參數(shù)不變)，焊縫表面的魚鱗紋密集程度越來越小，其熱影響區(qū)域也逐漸變小。這是因?yàn)楹附铀俣仍铰?，單位時(shí)間內(nèi)焊接頭的移動(dòng)距離越短，當(dāng)焊接頭擺動(dòng)速度一定時(shí)，焊接頭擺動(dòng)次數(shù)越多，相應(yīng)的魚鱗紋就越密集，焊縫的輸入熱也較大，熱影響區(qū)域變大。從不同焊接速度下的截面形貌可知，隨著焊接速度的增加，氣孔的質(zhì)量會(huì)有所提高，在焊接速度為55 mm/s時(shí)氣孔最小。這是因?yàn)楹附铀俣鹊奶岣呤购缚p的熔深減小，有利于氣孔的溢出[13-14]。當(dāng)焊接速度大于55 mm/s時(shí)，焊接速度過快，熔池迅速冷卻，氣孔來不及溢出，留在焊縫中。所以，為了保證氣孔的溢出率，應(yīng)該控制焊接速度在一定范圍內(nèi)。

圖7 v=25 mm/s,P=700 W焊縫形貌

圖8 v=35 mm/s,P=700 W焊縫形貌

圖9 v=45 mm/s,P=700 W焊縫形貌

圖10 v=55 mm/s,P=700 W焊縫形貌

圖11 v=65 mm/s,P=700 W焊縫形貌

3 焊接工藝參數(shù)對(duì)鋁/鋁焊接接頭力學(xué)性能的影響

3.1 激光功率

圖12為激光功率對(duì)鋁/鋁焊接接頭硬度的影響。鋁/鋁焊接頭的硬度主要包括母材(BM)、焊縫熱影響區(qū)(HAZ)及焊縫(WZ)3個(gè)部分。隨著激光功率的增加(其他參數(shù)不變)，焊縫區(qū)域的硬度逐漸減少。當(dāng)激光功率升高至950 W時(shí)，焊縫中心硬度從36 HV降低到31 HV左右。這是因?yàn)楫?dāng)激光直射焊縫區(qū)時(shí)，會(huì)造成部分強(qiáng)化元素的蒸發(fā)使得焊縫冷卻后不能形成完整的強(qiáng)化相，導(dǎo)致焊縫硬度下降[15]，隨著距離焊縫中心距離的增大，該現(xiàn)象逐漸減弱。

圖12 激光功率對(duì)鋁/鋁焊接接頭硬度的影響

圖13為激光功率對(duì)鋁/鋁焊接接頭抗剪切力的影響。隨著激光功率的增大(其他參數(shù)不變)，鋁/鋁焊接接頭的抗剪切力是先上升后下降的趨勢(shì)。激光功率增加，焊縫的輸入熱也逐漸增加，相應(yīng)地熔寬熔深也增加，此時(shí)焊縫的有效受力面積增大，抗剪切力增大，在激光功率為650 W時(shí)達(dá)到最大值765.41 N。隨著激光功率的繼續(xù)增加，雖然焊縫的熔寬熔深也會(huì)進(jìn)一步增加，但是氣孔的大小和數(shù)量也會(huì)增加，導(dǎo)致有效受力面積減小，抗剪切力減小，在激光功率為950 W時(shí)最小抗剪切力為716.18 N。

圖13 激光功率對(duì)鋁/鋁焊接接頭抗剪切力的影響

3.2 焊接速度

圖14為焊接速度對(duì)鋁/鋁焊接接頭硬度的影響。隨著焊接速度的增加(其他參數(shù)不變)，焊縫區(qū)域的硬度逐漸增高，焊縫中心的硬度從17.5 HV左右升高至26.8 HV左右。這是因?yàn)楹附铀俣鹊脑龃笫购附虞斎霟釡p少，從而減弱了焊縫區(qū)熔池元素的燒損，硬度有所提高。

圖14 焊接速度對(duì)鋁/鋁焊接接頭硬度的影響

圖15為焊接速度對(duì)鋁/鋁焊接接頭抗剪切力的影響。隨著焊接速度的增大(其他參數(shù)不變)，鋁/鋁焊接接頭的抗剪切力是先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)焊接速度為25 mm/s，此時(shí)焊接速度較小，焊縫的輸入熱較大，而過大的輸入熱會(huì)使熔池反應(yīng)劇烈，生成大量氣孔，降低焊縫的力學(xué)性能，抗剪切力降低。隨著焊接速度的提高，抗剪切力會(huì)不斷增大，在焊接速度為55 mm/s達(dá)到最大抗剪切力748.1 N。焊接速度繼續(xù)增加，此時(shí)由于焊接速度較快，輸入熱降低，焊縫的熔寬熔深減小，熔池迅速凝固，氣孔不能及時(shí)溢出[16]，焊縫的有效受力面積減小，抗剪切力減小。

圖15 焊接速度對(duì)鋁/鋁焊接接頭抗剪切力的影響

4 結(jié)論

(1)激光功率和焊接速度都會(huì)對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。其他參數(shù)不變，激光功率和焊接速度的增加，均會(huì)使焊縫表面魚鱗紋現(xiàn)象逐漸減弱，氣孔先增大后減小，焊縫質(zhì)量先升高后降低。

(2)鋁/鋁焊接接頭的硬度與激光功率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，焊接速度與焊接頭的硬度呈正相關(guān)關(guān)系；抗剪切力隨著激光功率和焊接速度的增加，均是先增大后減小，且在激光功率為650 W，焊接速度為55 mm/s時(shí)，鋁/鋁焊接接頭的抗剪切力達(dá)到最大值765.41 N，該工藝下獲得最佳的焊縫質(zhì)量。