6061铝合金薄板激光焊工艺试验研究

许芙蓉,杨立军 ,王金杰

(1.兰州石化职业技术大学 机械工程学院,甘肃 兰州 730060;2.天津大学 材料科学与工程学院,天津 300072)

铝合金具有热稳定性好、耐腐蚀性强、重量轻、易成形、强度高、再生性好和简化结构等一系列优点,而且随着科学技术的进步和工业发展的要求,铝合金薄板的应用越来越多,如航空航天、汽车等领域。由于铝的线膨胀系数、比热、导热系数都比较大,结构刚度和薄板的截面都较小,因而焊接铝合金薄板时极易变形[1]。目前,生产中焊接铝合金材料常用的焊接方法为熔化极氩弧焊和钨极氩弧焊。熔化极氩弧焊焊接铝合金薄板时焊接变形大,钨极氩弧焊在焊接厚度2mm以下的薄板材料时具有优越的性能,但是生产效率较低,不能满足现代工业发展的要求。而激光焊由于具有能量密度集中,焊接速度快,热输入小,热影响区窄,焊接应力与变形小,接头的机械性能好等优点[2],尤其适合于一些热传导系数非常高,对热输入要求较高的材料如铝合金薄板的焊接。

本文采用连续激光焊,在不同的材料表面状态下焊接厚度1mm的6061铝合金薄板,研究其工艺过程的规律及特点。

1 试验材料和条件

试验材料为6061铝合金,将6061铝合金薄板制成试板,规格为200×77×1mm,试验过程中将两块试板沿长度方向对接。采用连续激光焊,焊前将试板表面清理干净,以去除油污、水渍等污染物。6061铝合金对YAG激光的表面初始反射率接近80%,为了增大有效焊接功率,达到满意的焊接效果,需要提高材料表面对激光的吸收率,本试验使用砂纸打磨与涂抹表面活性剂相结合的办法。焊前用无水酒精清洗试件,然后用吹风机吹干,再用800号砂纸对焊缝及其周围进行轻微打磨,增加表面粗糙度。试件在加表面活性剂和不加表面活性剂两种状态下焊接,活性剂含有无水LiCl、NaCl、KF、ZnCl2、自来水等成分,活性剂浓度要适中,浓度过大会使焊缝产生气孔,浓度太小,增大吸收激光的作用不明显。加表面活化剂后,需等待其变干后才能进行装配焊接。由于表面活化剂具有腐蚀性,长时间涂在焊缝上容易使其腐蚀,因此焊接后,应尽快将焊缝清洗干净。

在进行薄板对接焊时,需沿对接方向将两块试板夹紧,但当对接边长度较长时,采用整体夹紧会因焊接本身厚度误差和夹具制造误差而产生夹紧不均匀或欠夹紧等问题[3]。本试验装配过程中,采用自主设计的专门用于焊接1mm及以下的薄板的琴键式夹具夹紧试件,以防止试件焊后产生波浪变形[4]。对接时,装配间隙不能太大,否则过大的激光功率就会导致烧穿,所以工件之间的装配间隙要尽量小。

试验使用的激光焊机为JK2003SM型Nd:YAG固体激光器,透镜焦距为160mm,额定输出功率为2kW。6061铝合金对激光的反射率很高,为了防止在焊接过程中反射激光损伤镜头,所以焊接时应将激光镜头沿竖直方向倾斜5°。焊接过程中采用纯氩气作为保护气体,沿侧向加气,气流量为30L/min。

2 试验结果分析

2.1 焊接工艺参数

激光焊的焊接参数包括激光功率、离焦量、焊接速度、保护气体种类及气体流量[5],其主要参数是焊接速度和激光功率。离焦量是指焊接表面与焦点的距离差,负离焦是焦点在试件表面内部,正离焦是焦点在试件表面的外部,零离焦是焦点刚好在试件表面上。离焦量能够决定激光束的功率密度,从而影响激光束在试件上的实际作用功率,对焊缝熔深影响很大。

由于本试验采用的试板为厚度仅为1mm的铝合金,试板对激光的反射率太大,为了增大激光的实际作用功率,本试验采用负离焦,离焦量为-0.2mm。采用纯氩气作为保护气体,气体流量为30L/min。

采用多组参数进行试验,参数的制定原则是,第一步选取一个较小的焊接速度V,然后激光功率值从大到小变化,直到无法焊透为止。第二步将第一步中焊接效果比较好的激光功率值P固定,将焊接速度从小到大变化,直到无法焊透为止,这样就得到一系列P-V的组合值。本试验焊接功率变化范围为1560W～2600W,焊接速度范围为20～60cm/min,具体所采用的焊接参数组合如表1所示。

表1 焊接试验参数

试验结果表明,因为铝合金表面对激光的反射率特别高,试件表面不加表面活性剂时,即使采用非常大的焊接功率和很小的焊接速度,也不能焊透。而涂上表面活性剂后,则可以在相对较小的焊接功率下焊透。

当激光功率一定时,焊缝熔宽与焊接速度之间的关系如图1所示。从图1中可知,激光功率一定时,随着焊接速度的增大焊缝熔宽逐渐减小。

图1 激光功率一定时,焊缝熔宽与焊接速度的关系

2.2 金相组织分析

为进一步观察焊接接头的熔深、熔宽、热影响区的宽窄以及组织晶粒度等,对焊接接头进行金相试验。本试验采用15%的NaOH水溶液作为腐蚀液,由于NaOH水溶液易与空气中的CO2发生反应而失效,因此NaOH溶液不能长时间置于空气中,最好现配现用。采用NaOH水溶液腐蚀焊缝6min左右,再用无水酒精清洗并用吹风机吹干,以保证试件干净无污渍,否则会影响金相组织观察,且易损害显微镜镜头。

典型焊缝的金相组织分析照片,如图2、图3、图4所示。

图2 加表面活化剂

图3 加表面活化剂

图4 加表面活化剂

金相试验结果表明,由于激光焊能量非常集中,因此焊接热影响区都非常窄,几乎看不到热影响区。在保证试板焊透的前提下,激光功率越大,焊接速度越小,得到的焊接接头的熔宽越大,晶粒也相对较粗大;随着激光功率的减小,焊接速度的提高,焊缝的熔宽逐渐减小,焊缝组织的晶粒度也随之减小。

基于以上分析,焊接厚度为1mm的6061铝合金的最佳焊接工艺参数为激光功率P=1700W,焊接速度V=40cm/min,保护气体为纯氩气,气流量为30L/min,离焦量为0,此参数下得到的焊缝熔宽较小,全焊透,组织细小均匀,焊接热影响区较窄,几乎观察不到热影响区。

3 结论

1)6061铝合金对激光的反射率特别高,为了增大试件表面对激光的吸收率,必须在其表面涂表面活性剂,加表面活性剂后,熔池的温度增加,熔化的金属量增加,焊缝的熔深增大,可在较小的激光功率下焊透。

2)铝合金表面加表面活性剂后,激光功率越大,焊接速度越小,得到的焊接接头的熔宽越大,晶粒也相对较粗大;随着激光功率的减小,焊接速度的提高,焊缝的熔宽逐渐减小,焊缝组织的晶粒度也随之减小。

3)选择恰当的激光功率并配合合适的焊接速度、离焦量等参数才能达到良好的焊接效果。本试验确定出的最佳参数和工艺条件,可为以后更深层的研究激光焊接薄板提供基础。