鋁合金激光焊接應用研究與分析

摘要：通過對汽車使用的鋁合金（Al6063-Al6063）采用了新型的不同激光焊接方案——激光對接焊接，激光穿透焊接，激光填絲焊接——進行了探究與分析，同時對焊接接頭的焊縫質量進行了數值分析與疲勞壽命數值模擬分析，從而得出了一種較佳的適用于汽車領域的鋁合金（Al6063-Al6063）激光焊接技術方案。

關鍵詞：輕量化；激光填絲焊接；激光對接焊接；疲勞壽命；激光穿透焊接

優良的成形工藝性和良好的抗腐蝕性是鋁合金具備的優良特性，同時還具有高比強度、高疲勞強度以及良好的斷裂韌性和較低的裂紋擴展率，在航空航天、電動汽車設計領域、機械智能制造中已被大量推廣應用[1-3]。鋁合金的廣泛應用推動了鋁合金焊接技術領域的快速發展，同時焊接技術的發展又拓展了鋁合金的應用領域[4-7]。傳統的鋁合金焊接一般采用TIG焊工藝亦或MIG焊工藝，雖然這兩種焊接方式能量密度較大，焊接鋁合金時能獲得良好的接頭，但仍然存在熔透能力差、焊接變形量比較大、生產效率低等缺陷[8]，因此激光技術被引用于工業領域，激光焊接具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區小和焊接變形小等優點，使其在鋁合金焊接領域受到格外的重視[9-11]。

適用于汽車領域的鋁合金（Al6063-Al6063）激光焊接技術方案，經過疲勞壽命試驗驗證，在一定程度上說明該方案具有比較高的穩定性、可行性和可靠性，其結果對鋁合金（Al6063-Al6063）激光焊接在汽車輕量化設計領域的廣泛推廣以及應用具有重要的參考價值。

激光焊接模型構建

1. 激光對接焊接

激光對接焊接工藝模型構建如圖1所示，通過搭接樣品，調試焊接，然后對焊接接頭進行金相分析和焊接樣件金相力學性能測試分析（拉力檢測）。

搭接樣品為兩塊厚度為2mm的Al6063-Al6063材質，規格形狀如同狗骨頭棒的鋁板組成，中間位置為激光對接焊接位置，如圖2所示。

圖3為激光對接焊接力學性能測試模型，其搭接件兩頭夾持距離邊緣約30mm。

圖4為激光對接焊樣件金相分析模型，從該激光對接焊樣件焊接接頭斷口金相分析可以發現存在焊接微裂紋現象。

2. 激光穿透焊接

如圖5所示為激光對接焊接工藝模型構建，通過搭接樣品，通過調試焊接，然后對焊接接頭進行金相分析和焊接樣件金相力學性能測試分析（拉力檢測）。

搭接樣品為兩塊厚度為2mm的Al6063-Al6063材質，規格形狀如狗骨頭棒的鋁板組成，中間位置為激光穿透焊接位置，如圖6所示。

圖7為激光穿透焊接力學性能測試模型，搭接件兩頭夾持距離邊緣約為30mm。

圖8為激光穿透焊樣件金相分析模型，從該激光穿透焊樣件焊接接頭斷口金相分析可以發現存在焊接微裂紋現象。

3. 激光填絲焊接

圖9為激光填絲焊接工藝模型構建，通過搭接樣品（Al6063-Al6063），通過調試焊接，然后對焊接接頭進行金相分析和焊接樣件金相力學性能測試分析（拉力檢測）。

搭接樣品為兩塊厚度為2mm的Al6063-Al6063材質，規格形狀如狗骨頭棒的鋁板組成，中間位置為激光填絲焊接位置，焊縫接頭類型分別為對接接頭（Butt-Joint）和V形接頭（V-Joint），如圖10所示。

圖11為激光填絲焊樣件力學性能測試模型，包括焊縫接頭類型為對接接頭和V形接頭。

對接接頭試驗采用夾持兩頭的方式，兩頭夾持距離邊緣同樣約為30mm。從該激光對接焊樣件焊接接頭斷口金相分析可知焊縫質量完好，無焊接微裂紋現象存在。

V形接頭試驗同樣采用夾持兩頭的方式進行力學性能試驗，兩頭夾持距離邊緣同樣約為30mm。通過焊接接頭斷口金相分析可以發現焊縫質量完好，無微裂紋現象存在。

結果分析與討論

表1和圖12是三種不同激光焊接類型：激光對接焊接、激光穿透焊接、激光填絲焊接（Butt-Joint和V-Joint）數值分析模型，通過分析結果表明：激光填絲焊接相比自熔焊接焊縫強度上有一定程度較大提升。焊縫強度：V-Joint激光填絲焊接＞Butt-Joint激光填絲焊接＞激光對接焊接＞激光穿透焊接。

V-Joint激光填絲焊接試樣疲勞壽命試驗驗證

1.數學模型建立

Master S-N曲線壽命估計本質就是反映了應力幅值與疲勞壽命之間的關系，也就是說零部件的壽命受應力影響，可以直接通過如圖13所示的Master S-N曲線獲得疲勞壽命評估。

2.疲勞壽命試驗驗證

圖14為激光焊接接頭疲勞壽命測試模型。表2為焊接樣件疲勞壽命計算與試驗結果，通過對表2數據分析可以得出疲勞壽命與Master S-N曲線對比，如圖17所示。通過對如圖15所示的疲勞壽命與Master S-N曲線分析可知，疲勞壽命數據點均在Master S-N曲線內即試驗結果數據均處于－3σ～－2σ，結果表明激光填絲焊接接頭焊接縫質量可靠，焊接接頭疲勞壽命滿足要求。

結語

本文通過對鋁合金（Al6063-Al6063）進行不同激光焊接試驗數學模型構建，并對焊縫接頭斷口細節進行金相分析，從而充分體現了真實鋁合金（Al6063-Al6063）激光焊接接頭質量信息，同時對激光填絲焊接接口（V-Joint）做了疲勞壽命試驗驗證，分析與研究結論如下。

1）激光填絲焊接相比激光對接焊接、激光穿透焊接而言，焊接接頭焊縫質量在一定程度上面有顯著的提升和改善。

2）在力學性能方面，不同激光焊接強度也有一定程度的差異，通過力學性能測試模型分析得知：激光填絲焊接強度（V-Joint）＞激光填絲焊（Butt-Joint）強度＞激光對接焊接強度＞激光穿透焊接強度。

3）通過疲勞壽命試驗驗證，疲勞壽命性能數據相對穩定， 從Master S-N曲線壽命科學的評估得：焊接接頭類型為V-Joint的激光填絲焊接，焊縫質量穩定、可靠。

4）通過鋁合金不同激光焊接研究與分析，得出的結果具有較高的穩定性、可行性和可靠性，為鋁合金（Al6063-Al6063）激光焊接應用方面提供了技術數據支撐，在對鋁合金（Al6063-Al6063）激光焊接在汽車輕量化設計方面廣泛推廣和發展奠定了一定的基礎。

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