7075鋁合金激光焊焊接的研究

丁亞茹

(內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 研究的目的及意義

7075鋁合金為Al-Zn-Mg-Cu合金，是一種超強(qiáng)鋁合金，具有強(qiáng)度高、剛度高、密度小、彈性模量低、抗腐蝕性能好、機(jī)械加工性能好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、無磁性、自然時(shí)效恢復(fù)強(qiáng)度能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1]。鋁合金通常采用焊接方法成形，常用的焊接方法有攪拌摩擦焊、MIG焊、TIG焊、等離子焊、氬弧焊、激光焊等[2，3]。光纖激光焊接的熱源是高能量密度的激光束，對(duì)比其他幾種焊接方法，具有焊接速度快和熱影響區(qū)狹窄的特點(diǎn)，是鋁合金焊接的理想方法，被譽(yù)為21世紀(jì)焊接領(lǐng)域最有前景的先進(jìn)連接技術(shù)，也是近10多年發(fā)展最快的焊接方法[4]。由于其易實(shí)現(xiàn)高精度焊接，對(duì)焊接環(huán)境要求較低，不受焊接尺寸與形狀的限制[5，6]，目前一些國家將激光焊運(yùn)用在連接汽車結(jié)構(gòu)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)和航天器等一些特種材料和微小接觸點(diǎn)，國內(nèi)也將其成功地應(yīng)用在客運(yùn)飛機(jī)的制造上，激光焊接技術(shù)在汽車制造業(yè)中成為近年來的熱點(diǎn)[7]。

2 鋁合金激光焊的特點(diǎn)

激光焊分為激光熱導(dǎo)焊和激光深熔焊(小孔焊)，厚度<1 mm的儀器儀表、電池外殼、電子元器件等薄板、小工件的機(jī)密焊接加工使用激光熱導(dǎo)焊，而厚度>1 mm的7075鋁合金板則使用激光深熔焊。激光熔深焊是高功率密度的激光束導(dǎo)致材料局部熔化，形成“小孔”，激光束通過“小孔”進(jìn)入熔池內(nèi)部，金屬在小孔前方融化，熔融金屬繞過小孔流向后方重新凝固形成焊縫[8，9]。

焊縫成形有未熔透、僅熔池透、適度熔透(小孔穿透)、過熔透4種情況，適度熔透，即小孔穿透，焊接過程中小孔剛好穿透工件，Chao Meng 等人采用數(shù)值分析法研究發(fā)現(xiàn)小孔的穩(wěn)定性受到反沖壓力和熔池液體流動(dòng)的影響[10，11]，小孔內(nèi)部的金屬蒸氣向工件下方噴出，產(chǎn)生反沖壓力使液態(tài)金屬向小孔四周流動(dòng)，熔池背面寬度明顯增加，焊后形成背面熔寬均勻適度且無明顯堆高的焊縫形態(tài)，可通過優(yōu)化焊接參數(shù)(焊接功率、焊接速度、保護(hù)氣體量和離焦量)得到較大的深寬比、較小的焊接面積，保證激光焊縫成形良好[12]。

激光深熔焊(小孔焊)焊接過程中，產(chǎn)生了“側(cè)壁聚焦效應(yīng)”，當(dāng)小孔形成后，進(jìn)入小孔的激光束與小孔的側(cè)壁相互作用時(shí)，一部分光束被側(cè)壁吸收，另一部分光束被側(cè)壁面反射至小孔底部重新匯聚起來，激光束入射至材料深處不發(fā)生明顯發(fā)散，多次反射和聚焦在小孔底部保持小尺寸光斑，小孔不擴(kuò)大，但深度不斷增大，最終獲得深而窄的焊縫[13]。因此，激光焊縫具有深寬比較大、熱影響區(qū)窄、焊縫強(qiáng)度高、焊接工藝穩(wěn)定性良好的優(yōu)點(diǎn)。

3 焊接參數(shù)對(duì)7075鋁合金焊接形貌的影響

為研究激光焊接參數(shù)對(duì)焊縫深寬、熱影響、焊接工藝穩(wěn)定性的影響。采用3 mm厚7075-T6處理軋制態(tài)鋁合金板，成分如表1所示。

表1 7075鋁合金的化學(xué)成分

焊前準(zhǔn)備，將鋁合金剪切為200×80 mm2的板材，去除剪切毛邊和板材表面產(chǎn)生的金屬毛刺，用砂紙、清理鋁合金板材表面去除氧化皮、油漬、水分等，使用吹風(fēng)機(jī)對(duì)板材各方向進(jìn)行吹干，停留短暫時(shí)間后進(jìn)行光纖激光焊接。

(1)試件1 (2)試件3 (3)試件5 (4)試件8

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

7075鋁合金激光焊接過程中，焊接功率越大，焊接速度越慢，焊縫越易熔透，當(dāng)焊接功率過大或者焊接速度小時(shí)，易出現(xiàn)過度熔透現(xiàn)象。激光焊焊縫表面存在著孔洞、駝峰、凹坑等焊接缺陷，焊接速度過大，焊接速度過慢都會(huì)導(dǎo)致熱輸入量過大，出現(xiàn)過焊的現(xiàn)象[14]。離焦量的大小直接影響焊接光斑直徑的大小，造成焊縫熔寬以及熱影響區(qū)變大。

4 7075鋁合金焊接接頭的組織及力學(xué)性能

對(duì)比7XXX鋁合金非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護(hù)(MIG)等焊接方法，激光自熔焊縫強(qiáng)度雖然有所提高，但其焊接接頭軟化現(xiàn)象仍較為明顯，焊縫具有表面幾何不連續(xù)性、焊接裂紋、氣孔等缺陷，導(dǎo)致焊縫的表面耐磨性下降、疲勞壽命降低。

7XXX鋁合金激光焊接過程中，高熱量輸入形成焊接熔池溫度可達(dá)到2 500℃，而Zn、Mg的沸點(diǎn)只有907℃、1 107℃，焊縫成形過程中主要強(qiáng)化合金元素Zn和Mg發(fā)生嚴(yán)重?zé)龘p，通過固溶時(shí)效處理，可得到固溶時(shí)效強(qiáng)化相為η′(Mg2Zn)[15]，Zn、Mg元素的燒損會(huì)造成生成的強(qiáng)化析出相減少，所以焊縫相較母材的強(qiáng)度、硬度降低，進(jìn)而導(dǎo)致耐磨性降低。

母材經(jīng)過軋制-時(shí)效處理，其晶粒呈長條狀，激光焊后焊縫形成典型的鑄態(tài)組織，失去了變形鋁合金的時(shí)效或者冷作硬化效果。焊縫由較大的等軸晶組成并生成低熔點(diǎn)共晶相T相(Al-Zn-Mg-Cu相)。由于7XXX鋁合金激光焊焊接熔池較小，熔化后迅速冷卻，形成大量的鏈狀T相，此時(shí)的T相由于形貌和尺寸的原因?qū)w具有割裂作用，焊縫的強(qiáng)度、硬度、耐磨性會(huì)大幅度降低[16，17]。

鋁合金激光焊焊接過程中易產(chǎn)生氣孔，氫和水分的存在易在深熔小孔的尖端形成，不易溢出便形成了氣孔，在焊縫受到循環(huán)載荷的作用下成為裂紋源，使焊接接頭的疲勞壽命降低。焊縫表面呈魚鱗狀，表面粗糙度較大，具有明顯的幾何不連續(xù)性，且焊接過程中材料表面的氧化皮易形成夾渣，同時(shí)焊接前以及焊接過程中產(chǎn)生的約束應(yīng)力、焊接熱應(yīng)力、相變應(yīng)力以及線膨脹系數(shù)最終形成了殘余應(yīng)力，易產(chǎn)生變形和熱裂紋。作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)，焊縫受到循環(huán)載荷作用下，夾渣、幾何不連續(xù)性、熱裂紋、氣孔的存在便成了裂紋源之一，嚴(yán)重惡化了材料的疲勞性能。

5 結(jié)論

①7075鋁合金激光焊接過程中，焊接功率越大，焊接速度越慢，焊縫越易熔透，當(dāng)焊接功率過大或者焊接速度小時(shí)，易出現(xiàn)過度熔透現(xiàn)象；②7075鋁合金激光焊后，焊接接頭的表面耐磨性、疲勞性能低于母材；③7075鋁合金激光焊焊接接頭存在著失強(qiáng)的現(xiàn)象。