黑化及加TiC粉对铝合金焊接成形影响的对比研究

康泽军，李先芬，陈 俊，许新猴，周 伟,2

（1.合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥230009；2.新加坡南洋理工大学 机械与宇航工程学院，新加坡639798）

黑化及加TiC粉对铝合金焊接成形影响的对比研究

康泽军1，李先芬1，陈 俊1，许新猴1，周 伟1,2

（1.合肥工业大学 材料科学与工程学院，合肥230009；2.新加坡南洋理工大学 机械与宇航工程学院，新加坡639798）

为了提高铝合金对激光的吸收率，改善焊缝表面成形，对3 mm厚的2A14铝合金黑化或加粉后进行激光TIG复合焊接试验。黑化采用的是对激光具有较高吸收率的碳素墨汁，加粉是添加适量TiC粉末，并分别将两者涂覆于工件表面，然后施焊。对比研究了黑化处理和加粉处理对焊缝成形质量、显微组织以及显微硬度的影响。结果表明，黑化处理后激光吸收率的提高效果优于加粉处理。

焊接；激光-TIG复合焊接；铝合金；黑化；TiC；显微组织；显微硬度

1 概 述

铝合金因其质量轻、无磁性，具有较高的热导率和比强度，以及优良的耐蚀性和良好的加工性能，已经成为重要的金属结构材料被广泛地应用于各种焊接结构和产品中。采用铝合金代替钢板材料焊接，结构质量可减少50%以上[1-3]。

激光焊接是以激光为热源的焊接[4]。由于传统焊接铝合金的方法会导致焊接后翘曲变形和接头软化等问题[5-6]，采用激光电弧复合的方法焊接铝合金的工艺被广泛研究。然而，铝合金对激光的吸收率偏低。纯铝对不同激光的吸收率见表1。金属材料对激光的吸收率随温度升高而增大，当温度升高到接近熔点时，吸收率可达到40%～50%[7-9]。金属材料对激光的吸收率除受波长和温度的影响外，还受其表面状态的影响。为了提高金属热处理的光能利用率，经常采用在材料表面涂覆一层对激光吸收率较高的物质。孙福娟等人研究发现，激光焊接LY12CZ铝合金时，焊前对试样表面黑化处理可以改善激光的吸收率[10]。在激光功率为150 W，扫描速度为10 mm/s时，40钢的表面涂覆不同涂层时对激光的吸收率见表2[7,11]。此外，TiC颗粒具有高熔点、热稳定性、高硬度、高弹性模量、较高抗弯强度及与Al基体相容性好等优点，对铝合金来说是理想的增强材料[12]。

表1 20℃时Al对不同波长激光的吸收率[7]

表2 不同涂层对激光的吸收率[7]

本研究以2A14铝合金为材料，采用碳素墨汁作为黑化处理材料，TiC粉末作为加粉材料，对比分析了激光－TIG复合焊在黑化和加粉的情况下对焊缝成形质量、显微组织以及硬度的影响，为提高激光吸收率的研究提供指导。

2 试验设备及方法

2.1 试验设备

本次试验采用LWS－1000型Nd：YAG激光焊机，如图1所示。激光波长λ=1.06 μm，最大输出功率P0=1 kW，焦距f=120 mm，焦点光斑直径D=0.6 mm。激光作用点与钨极尖端的水平距离定义为热源间距，其值为1 mm。试验采用直流电弧焊机 WSM－400（PNE61－400P）焊接， 钨极直径为1.2 mm。

图1 LWS－1000型Nd：YAG激光焊机

2.2 试验材料

试验材料采用2A14铝合金，热处理状态为退火态，属于可热处理强化铝合金。焊件规格为200 mm×100 mm×3 mm平板。其化学成分见表3。

表3 2A14铝合金化学成分

2.3 试验方法

试验前，先用丙酮清洗焊件，然后用吹风机吹干。对焊件进行焊前处理，黑化处理是在焊件表面涂覆一层宽为0.5 mm的碳素墨汁；加粉处理是在焊件表面涂覆事先用酒精混合好的TiC糊状物，保证涂覆处的宽度也为0.5 mm。然后在烘干炉中进行低温烘干。待烘干完成后进行激光－TIG复合焊接。焊接参数为：脉宽2.0 mm，频率30 Hz，焊接速度600 mm/min，气流量 10 L/min，离焦量－1 mm，激光电流100 A，电弧电流100 A。1#试样不做处理，2#试样黑化处理，3#试样TiC处理。

焊前黑化和加粉处理后的焊件表面如图2所示。试验完成后，用砂纸打磨焊缝截面，然后用30%的NaOH溶液对截面进行宏观腐蚀，直至出现焊缝轮廓；利用数码相机对焊缝的熔深和熔宽进行拍照记录。采用keller试剂腐蚀金相试样，其keller试剂的具体配比为 1 mL HF、2.5 mL HNO3、1.5 mL HCl和95 mL H2O。采用光学金相显微镜进行微观组织观察和分析。采用MH－3L显微硬度计测定从焊缝至母材的显微硬度，加载200 g，加载时间10 s。

图2 处理前、后的焊件表面

3 试验结果分析

3.1 不同处理方式对焊缝成形的影响

图3所示分别为不同处理方式获得的焊缝正面形貌和截面图。 图3（a）中1#试样为没有进行任何处理获得的焊缝，2#试样为黑化处理获得的焊缝，3#试样为加TiC处理获得的焊缝。由图3（a）可知，3#试样焊缝中间存在一条细窄缝，两侧呈黑色。图3（b）所示为3种试样焊缝的截面图。由图3（b）可知，黑化处理获得的焊缝熔宽和熔深明显大于未处理的焊件，而加TiC处理获得的焊缝熔深略大于未处理的焊件，熔宽基本相当。表4为两条焊缝的熔宽和熔深尺寸对比。由表4可以看出，黑化处理可以明显增大熔深，而加TiC处理对熔深增加的效果不明显。

图3 不同处理方式获得焊缝的形貌

表4 3种试样焊缝熔深和熔宽对比

3.2 不同处理方式对焊缝显微组织的影响

图4所示为不同处理方式获得焊缝中心的显微组织。由图4可以看出，焊缝中心组织为均匀分布的等轴晶组织，与1#试样焊缝相比，2#试样焊缝的晶粒较粗大，而3#试样焊缝的晶粒大小不一，比较杂乱。

图4 不同处理方式获得的焊缝中心显微组织

不同处理方式获得的焊接接头热影响区显微组织如图5所示。由图5可看出，热影响区晶粒粗化明显，与1#试样接头的热影响区相比较，2#和3#试样的热影响区的晶粒较粗大，从图5（c）可看出，右下方存在未熔化的TiC颗粒。

3.3 不同处理方式对焊接接头显微硬度的影响

图6所示为不同处理方式获得焊接接头的显微硬度分布图。本次试验采用2A14母材为退火态，其硬度值沿着母材、热影响区、焊缝的方向逐渐增加。由图6可知，黑化处理获得的焊缝中心和热影响区的显微硬度都低于未处理的焊件，而加TiC粉获得的焊缝中心和热影响区的显微硬度高于未处理的焊件。

图5 不同处理方式获得的焊接接头热影响区的显微组织

图6 不同处理方式获得焊接接头的显微硬度

3.4 黑化处理和加TiC粉处理对比分析

由以上试验结果可知，黑化处理后熔深增大，焊缝平均显微硬度较低，说明黑化处理可以增加激光的吸收率，进而提高能量的利用率。

添加TiC粉的处理方法也能增加焊缝熔深，但与黑化处理相比，熔深的增加效果不显著。加TiC粉获得的焊缝中心和热影响区的显微硬度最高，其原因有两点：①TiC粉末在焊件表面的涂覆虽然能增加材料对激光的吸收率，但是部分能量被用来熔化TiC粉末，减少了作用在焊件上的热量；②TiC粉末在激光的高能量作用下，部分粉末熔入焊缝，从而提高了焊缝的显微硬度。

4 结 论

（1）对3 mm厚的2A14铝合金板材在激光－TIG复合焊接前进行黑化处理或加TiC粉处理，都可以提高铝合金对激光的吸收率。但是，黑化处理提高激光吸收率的效果大于加粉处理。

（2）加TiC粉获得焊接接头的显微硬度较高，这种方法获得的焊缝中还存在少量未熔化的TiC颗粒，可能会作为焊缝的强化相存在。

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Comparative Study on the Influence of Blackening and Adding TiC Powder on Aluminum Alloy Welding Forming

KANG Zejun1， LI Xianfen1， CHEN Jun1， XU Xinhou1， ZHOU Wei1,2
（1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China；2.School of Mechanical and Aerospace Engineering,Nanyang Technological University,Singapore 639798,Singapore）

In order to increase the laser absorptivity of aluminum alloy and improve the weld surface forming,the 3 mm thickness 2A14 aluminum alloy plate was blackened or adding powder,and then carried out laser TIG composite welding test.Blackening adopted high laser absorptivity carbon ink,while adding powder was to proper adding TiC powder,both the blackening and adding powder were coated on workpiece surface and then welding.In this article,the influence of blackening and adding powder on weld forming quality,microstructure and microhardness was comparatively studied.The experimental results showed that the laser absorptivity of blackening is better than that of adding TiC powder.

welding;laser-TIG composite welding;aluminum alloy;blackening;TiC;microstructure;microhardness

TG456.7

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.001

康泽军（1991—），男，硕士研究生，主要从事焊接技术（激光焊接）及工艺研究工作。

2016－03－17

李红丽