鋁-鎳異種金屬激光焊接工藝研究

馬軍龍

中國一重（黑龍江）重工有限公司 黑龍江齊齊哈爾 161041

1 序言

隨著有色金屬應用的日益廣泛，其連接技術也隨之備受關注。工業純鎳具有優異的耐蝕性，在工業生產中，純鎳主要用來制造不銹鋼以及其他耐腐蝕合金，也可作為加氫反應催化劑，以及制造陶瓷產品、電子線路、綠色玻璃和Ni的化合物等。鋁的密度小、延展性好，耐蝕性、導熱及導電等性能優良，而且在很低的溫度下依然能夠得到滿意的力學性能，在化工、機械、交通、建筑、航空航天及日常生產生活等領域得到了廣泛的應用。國內外常用傳統的焊接方法（如MIG、TIG等）對此類金屬進行焊接，但接頭強度不足，且焊縫容易產生氣體、夾渣、裂紋等缺陷，同時被焊金屬表面狀態對焊接質量影響大。焊縫中容易出現焊接變形和氣孔，殘余應力較大，且對應力腐蝕敏感，不能充分發揮材料的性能。因此，探索新的焊接方法在鎳、鋁構件材料中的運用，是非常必要和迫切的[1-3]。

2 焊接參數對焊接接頭表面成形的影響

不銹鋼薄板激光焊接參數見表1。在鋁-鎳激光焊接試驗中，所涉及的焊接參數主要有激光頻率、激光功率和焊接速度。由于它們對接頭的作用不同，因而對接頭性能影響的程度也不同[4-6]。通過文獻查閱和部分試驗研究，當激光頻率為200Hz時，焊接效果最好，且能保證較小的熱輸入。下面分別從激光功率和焊接速度的角度來討論焊接參數對接頭宏觀形貌的影響[7，8]。其中，8號為最佳焊接參數，1～7號為對照組。在8號參數基礎上，1～4號只改變激光功率，5～7號只改變焊接速度。

表1 不銹鋼薄板對接激光焊接參數

2.1 激光功率對焊接接頭表面成形的影響

1～3號試樣焊接接頭的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可看出，當激光功率較小時，焊接試件整體變形較小，焊縫表面無明顯的氣孔和裂紋等缺陷，也無明顯的飛濺和咬邊現象，有波紋形紋理。在焊接速度不變的情況下，隨著激光功率的增加，焊縫正面的熔寬增加。當激光功率＜1.8kW時，焊縫中心位置有明顯凹陷，氧化現象不明顯；當激光功率為2.0kW時，焊縫成形良好，氧化現象不明顯；當激光功率為2.2kW時，焊縫成形良好，表面平滑美觀，紋理清晰；當激光功率為2.4kW時，焊縫成形較好，表面氧化較為嚴重，背面剛好焊透；當激光功率為2.6kW時，焊縫完全焊穿，熔池金屬翻卷起來，呈現黑色，氧化十分嚴重。

圖1 1～3號試樣焊接接頭宏觀形貌

2.2 焊接速度對焊接接頭表面成形的影響

5～7號試樣焊接接頭的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可看出，焊縫表面無明顯的氣孔和裂紋等缺陷，焊接試件整體變形較小，也無明顯的飛濺和咬邊現象，有波紋形紋理。在激光功率不變的情況下，隨著焊接速度的減慢，焊縫的寬度呈增長趨勢；當焊接速度為50mm/s時，接頭熔寬小且焊縫中心有條線狀凹陷；當焊接速度為40mm/s時，焊縫熔透且成形良好，表面平滑美觀，紋理清晰；當焊接速度為30mm/s時，焊縫寬度較大，表面氧化嚴重；當焊接速度為20mm/s時，焊縫氧化很嚴重，開始產生明顯變形，焊縫扭曲，背面已焊透。

圖2 5～7號試樣焊接接頭宏觀形貌

3 激光焊接參數對熔深、熔寬的影響

鋁-鎳搭接的焊接結構，其焊接質量不僅取決于接頭的力學性能，而且也與焊縫成形及氧化變色程度相關。焊縫熔深及熔寬是衡量接頭表面成形、背面氧化變色程度及力學性能的重要因素。熔深主要影響接頭焊縫背面質量，而熔寬主要影響接頭的力學性能。激光焊接參數（激光功率、焊接速度）是影響焊接質量的重要因素。本試驗采用鋁-鎳搭接接頭，重點研究激光功率、焊接速度對不銹鋼對接接頭焊縫熔深、熔寬及微觀組織和拉伸性能的影響規律，為實際生產中鋁-鎳搭接激光焊接參數的優化提供必要的理論依據。

3.1 激光功率對熔深、熔寬的影響

當激光頻率為200Hz、焊接速度為40mm/s時，激光功率對焊縫熔深、熔寬的影響規律如圖3所示。

圖3 激光功率對焊縫熔深、熔寬的影響規律

由圖3可知，焊縫的熔深、熔寬受激光功率的影響很大，而焊縫的余高顯示不出規律性，部分參數下余高較大原因可能是保護氣方向導致的。當激光功率較小（1.8kW）時，不銹鋼薄板只有少量的熔化，焊縫熔深較小、熔寬較窄。隨著激光功率的增加，熔深、熔寬明顯增大，當激光功率達到2.4kW時，焊縫剛好焊透，而隨著激光功率再次增大，熔寬繼續增大，而背面焊縫也隨之加寬。

3.2 焊接速度對熔深、熔寬的影響

當激光頻率為200Hz，激光功率為2.2kW時，焊接速度對焊縫熔深、熔寬的影響規律如圖4所示。

圖4 焊接速度對焊縫熔深、熔寬的影響規律

由圖4可知，隨著焊接速度的降低，熔深、熔寬明顯增大，當焊接速度只有30mm/s時，焊縫即將完全焊透，而隨著激光功率再次增大，熔寬繼續增大，而背面焊縫也熔透并隨之加寬。

4 結束語

1）當功率增大時，激光熱輸入增大，被焊金屬材料的熔化量就會增加，熔池尺寸會相應地增大，從而使焊縫熔寬增大。而焊接速度越快，激光束在試件表面移動得越快，單位時間、單位長度焊縫內輸入的能量就減小，激光焊接熱輸入減小，被焊金屬材料的熔化量減少，從而使焊縫熔寬變小。

2）在鋁-鎳激光焊接接頭中，當激光功率較低或焊接速度較大時，鋁-鎳接頭界面的母材熔化量較少，同時鋁-鎳接頭的熔寬及變形較小；當激光功率升高或焊接速度降低時，母材熔化量增大，焊縫的熔寬增加。