安升輝 穆紹帥

摘 要：針對(duì)6mm厚6061-T6鋁合金試板做了大功率激光焊接試驗(yàn)，從焊接穩(wěn)定性入手，分別討論了離焦量、焊接速度、保護(hù)氣體流量以及激光功率對(duì)激光焊接的影響，確定了中厚板鋁合金在大功率激光焊接條件下的最佳激光焊接工藝參數(shù)。最后，利用Simufact Welding軟件針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明：在采用氬氣作為保護(hù)氣體的條件下，最佳氣流量范圍為20L/min～25L/min。在離焦量為-6mm～-4mm時(shí)，焊縫的熔深與焊接的穩(wěn)定性均達(dá)到一個(gè)較好水平。中厚板鋁合金激光焊接難以得到臨界焊透焊縫，往往表現(xiàn)為“透則漏”，因此容易得到部分焊透焊縫，此時(shí)小孔的穩(wěn)定性最差，而全熔透焊的穩(wěn)定性相對(duì)較好。

關(guān)鍵詞：激光焊接;焊接角度;數(shù)值模擬;氣孔率;力學(xué)性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.039

6061-T6鋁合金具有優(yōu)良的焊接特性、良好的抗腐蝕性、韌性高且加工性能優(yōu)異、氧化效果極佳等優(yōu)良特點(diǎn)，逐漸替代了傳統(tǒng)的鋼材，廣泛應(yīng)用于電子、精密儀器、通訊以及航天領(lǐng)域[1-3]。

激光焊接是一種先進(jìn)的連接技術(shù)，具有熱輸入小，變形小等優(yōu)勢(shì)。但是由于深熔焊焊接過程鋁合金材料對(duì)激光反射率高，激光能量吸收率很低、合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，焊接過程不穩(wěn)定，以及鋁合金本身特殊的物理性質(zhì)使得這種工藝還不成熟，焊接時(shí)存在著易產(chǎn)生焊縫下塌和氣孔缺陷等問題[4-7]。本文采用6mm厚的6061-T6中厚鋁板鋁合金材料，進(jìn)行單因素激光焊接試驗(yàn)，研究不同的焊接工藝參數(shù)對(duì)激光焊接焊縫成形和焊縫質(zhì)量的影響，優(yōu)化中厚板鋁合金激光焊接工藝參數(shù)，總結(jié)工藝參數(shù)與焊接接頭形狀的關(guān)系，并對(duì)接頭的金相組織與力學(xué)性能進(jìn)行觀察與測(cè)試得出接頭形狀與金相組織及力學(xué)性能的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為板厚6mm的6061-T6鋁合金，化學(xué)成分如表1，實(shí)驗(yàn)板的尺寸為。試驗(yàn)采取氬氣為保護(hù)氣體，通過控制單因素變量進(jìn)行試驗(yàn)。

激光器是YLR-6000光纖激光器，激光焊接實(shí)驗(yàn)中保護(hù)氣嘴與試驗(yàn)板表面法線的夾角為，距離實(shí)驗(yàn)板表面為5mm，焊接前用帶有丙酮的棉布將實(shí)驗(yàn)板的表面擦拭干凈，防止污染實(shí)驗(yàn)板，影響試驗(yàn)結(jié)果，焊接過程中保持激光垂直照射在焊板上。采用控制變量法，分別研究離焦量、焊接速度、保護(hù)氣體流量以及激光功率對(duì)激光焊接的影響。6061-T6鋁合金深激光深熔焊焊接過程的穩(wěn)定性較差，焊縫背面容易出現(xiàn)斷續(xù)熔透現(xiàn)象，因此為能準(zhǔn)確表征焊縫的熔深以及焊接過程的穩(wěn)定性，對(duì)焊縫進(jìn)行橫向和縱向宏觀分析，如圖1所示。對(duì)焊縫的縱向橫截面以間隔3mm對(duì)熔深進(jìn)行測(cè)量，然后取其平均值作為焊縫的平均熔深，取其方差作為焊接穩(wěn)定性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 保護(hù)氣流量試驗(yàn)結(jié)果分析

保持激光功率P為5KW，焊接速度V為3.6m/min，離焦量ΔL為-4mm，氣流量的變化范圍為0～30L/min。當(dāng)沒有氬氣保護(hù)時(shí)，焊縫表面氧化嚴(yán)重，呈現(xiàn)灰黑色并伴隨大量孔洞。在氣流量增大至10L/min后，表面的氧化程度得到改善，但是焊縫表面仍然存在大量凸起， 在氣流量為15～30L/min時(shí)，焊縫表面成形相對(duì)較好，形成致密規(guī)則的魚鱗紋，但是當(dāng)氣流量大于25L/min時(shí)，焊接過程中伴隨著大量飛濺。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是：在氣流量小于15L/min時(shí)，氣流量過小，不足以吹走孔外的等離子體，而孔內(nèi)的等離子體也沒有受到足夠大的壓力使其滯留在孔內(nèi)，因此大量等離子體從小孔內(nèi)噴出，材料上方的等離子體吸收激光能量從而對(duì)焊縫產(chǎn)生熱輻射作用，使得焊縫表面燒黑氧化。并且由于此時(shí)小孔內(nèi)吸收的激光能量減少，小孔的開口尺寸較小，更多的熔融金屬將涌到開口附近，并且部分上揚(yáng)，形成表面凸起。而氣流量在15L/min～25L/min期間，氣流足夠大，大量等離子體被吹走，焊縫成形美觀。當(dāng)氣流量增加到30L/min時(shí)，過大的氣流對(duì)熔池形成攪拌作用，增加了焊接的不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生了大量飛濺。

圖2是不同氣流量下熔寬和熔深的變化情況，從中可以看出：在氣流量從0L/min增加到30L/min的過程中，焊縫熔寬從3mm變到3.5mm，熔深從4.8mm變到5.35mm，熔寬和熔深都有稍許變化，但是整個(gè)變化幅度不大，表明氣流量對(duì)鋁合金焊縫熔寬和熔深影響不大。

但從焊縫縱截面分析發(fā)現(xiàn)，在沒有氣體保護(hù)時(shí)，焊縫深度的穩(wěn)定性相對(duì)較差，即該焊接過程中，小孔的穩(wěn)定性較差。隨著氣流量的加大，小孔穩(wěn)定性逐漸變好，在氣流量在20L/min～25L/min時(shí)，小孔穩(wěn)定性達(dá)到最好。

由以上分析可知：激光焊接6061鋁合金時(shí)，在采用Ar作為保護(hù)氣體條件下，較優(yōu)的氣流量范圍為20L/min～25L/min。

2.2 離焦量試驗(yàn)結(jié)果分析

在保持激光功率為5KW，焊接速度為3.6m/min，保護(hù)氣流量為20L/min條件下，改變離焦量ΔL進(jìn)行焊接。在焦點(diǎn)位于板材內(nèi)部時(shí)，焊縫表面存在明顯不規(guī)則的凸起和凹陷缺陷，而焦點(diǎn)位于板材表面及外部時(shí)，焊縫表面成形良好，平整光滑并且離焦量越大，魚鱗紋越細(xì)膩。對(duì)于高功率高速激光未熔透焊接，小孔前沿壁傾斜一定角度，入射激光幾乎全部輻照在小孔前沿壁，前沿壁劇烈蒸發(fā)產(chǎn)生的反沖壓力驅(qū)動(dòng)熔池向下流動(dòng)，小孔前沿壁穩(wěn)定。劇烈金屬蒸汽向后噴射沖擊小孔后沿上部熔池，驅(qū)動(dòng)熔融金屬快速向上流動(dòng)。當(dāng)焦點(diǎn)位于材料內(nèi)部時(shí)，小孔內(nèi)的激光能量密度更大，材料蒸發(fā)更為劇烈，小孔后沿受到的沖擊力更大，從而導(dǎo)致熔融金屬向上流動(dòng)更劇烈，而此時(shí)焊縫熔池較小，沿小孔后沿向上流動(dòng)的熔融金屬容易克服表面張力和流體靜壓力超出熔池表面，在焊縫上表面形成凸起。

從圖3中可以看出，在離焦量從-10mm變?yōu)?6mm時(shí)，焊縫熔深增大，熔寬減小;而在離焦量從-6變?yōu)?8mm時(shí)，焊縫熔深逐漸減小，熔寬先增大后緩慢減小，并且離焦量為正時(shí)的焊縫寬度明顯大于負(fù)離焦下的寬度。這主要是由于當(dāng)離焦量為正時(shí)，激光束以發(fā)散狀態(tài)照射到小孔內(nèi)，孔壁經(jīng)過多次激光反射產(chǎn)生的菲涅耳吸收主要集中于小孔開口位置處，此時(shí)的熔池寬而淺。而離焦量為負(fù)，焦點(diǎn)位于板材內(nèi)部時(shí)，工件內(nèi)部的激光束為處于匯聚狀態(tài)，此時(shí)激光經(jīng)過多次反射，匯聚于小孔深處，使得小孔內(nèi)部的功率密度大于工件表面，因此熔池深度明顯增大。

但是在離焦量由-10mm變到+8mm時(shí)，小孔的深度變化方差明顯減小，即焊接過程的穩(wěn)定性增強(qiáng)，這主要是由6061鋁合金的特性所決定，6061鋁合金中鎂元素的含量高達(dá)4.9%，而在焊接過程中，鎂元素的極大蒸發(fā)將會(huì)增加焊接等離子體及金屬蒸氣的濃度。等離子體濃度增大，意味著照射到材料上的激光能量減小，等離子體屏蔽效應(yīng)加強(qiáng)，等離子體周期性波動(dòng)變小，焊接過程的穩(wěn)定性變大。

從以上分析可以看出，在離焦量為-6mm～-4mm時(shí)，焊縫的熔深與焊接的穩(wěn)定性均達(dá)到一個(gè)較好水平。

2.3 激光功率試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為不同激光功率下的焊縫上下表面及橫截面，其他工藝參數(shù)為：焊接速度V=3.6m/min，離焦量ΔL=-4mm，保護(hù)氣流量為20L/min。從圖中可以看出，在激光功率為3KW～5KW范圍內(nèi)，焊縫都未被熔透，焊縫表面存在凸起缺陷，這可能是由于未熔透時(shí)，焊縫熔深隨著激光功率的增加而增大。且當(dāng)激光功率為3KW和3.5KW時(shí)，焊縫呈三角形。當(dāng)功率升至4KW時(shí)，焊縫變成典型的釘狀形貌。激光功率繼續(xù)增大到5.5KW時(shí)，板材被熔透，焊縫出現(xiàn)嚴(yán)重下塌缺陷，焊縫形貌為平直形，并且隨著激光功率的增大，下塌缺陷更加嚴(yán)重。

從圖5可以看出，在板材未熔透時(shí)，焊縫熔寬和熔深隨著激光功率的增加而增大，其中焊縫熔深的增幅明顯，呈近似線性增大，熔寬增加則相對(duì)緩慢。當(dāng)板材達(dá)到熔透狀態(tài)，焊縫熔寬迅速減小，并在熔透狀態(tài)下，隨著激光功率增加，熔寬繼續(xù)增大。這是因?yàn)樵谖慈弁钢?，隨著激光功率的增加，小孔內(nèi)熔融的金屬增多，在熔池表面聚集，高溫熔液可對(duì)周邊金屬加熱，可輕易熔化材料而增加焊縫熔寬。而在到達(dá)熔透狀態(tài)時(shí)，小孔前沿的熔融金屬在金屬蒸汽的反沖作用下迅速沿小孔軸向向下流動(dòng)，部分金屬液從焊縫背面噴出，上表面聚集的金屬液則減少，焊縫熔寬迅速減小。

在焊縫未熔透之前，焊縫熔深的方差隨著激光功率增加而緩慢增大，整體波動(dòng)幅度變化不大，在焊縫到達(dá)部分熔透狀態(tài)時(shí)，焊縫熔深的方差迅速增加，從焊縫縱截面圖中可以看出，焊縫熔透與未熔透交替出現(xiàn)，且熔透部分下塌嚴(yán)重，表明此時(shí)小孔的穩(wěn)定性較差。當(dāng)焊縫全熔透時(shí)，焊縫方差迅速下降，但是仍然高于未熔透焊縫，焊縫整體下塌嚴(yán)重。

焊接過程中蒸發(fā)較為劇烈，鋁合金中的合金元素如Mg、Zn等易于電離，從而使得等離子體密度大大增加，該等離子體云將會(huì)吸收激光能量并對(duì)激光有散射作用，入射到小孔內(nèi)的激光減少，熔深減小，材料蒸發(fā)減慢，等離子體密度減小，此時(shí)等離子體對(duì)激光的吸收又減少，入射到小孔內(nèi)的激光能量由開始增加，材料蒸發(fā)又開始劇烈。如此循環(huán)往復(fù)，等離子體密度周期性變化，使得焊縫小孔深度不能維持穩(wěn)定。焊縫在未熔透時(shí)，由于此時(shí)激光入射能量較少，材料蒸發(fā)相對(duì)較少，等離子體密度在側(cè)吹保護(hù)氣的作用下對(duì)入射激光的影響較小，因此等離子體的變化較小，小孔深度穩(wěn)定性相對(duì)較好。焊縫達(dá)到部分熔透時(shí)，從焊縫橫截面可以看出，此時(shí)焊縫背面開孔很小，金屬蒸汽大部分仍然小孔上部溢出，在等離子體密度較小時(shí)，焊縫剛好熔透，而由于液態(tài)鋁合金流動(dòng)性好、表面張力小，因此一旦熔透，將會(huì)出現(xiàn)明顯的下塌，此時(shí)焊縫深度較大，材料蒸發(fā)開始變得劇烈，等離子體密度增大，小孔內(nèi)激光能量減少，焊縫由熔透變?yōu)槲慈弁?，由此可以看出焊縫在臨界焊透時(shí)，小孔的穩(wěn)定性最差。隨著激光功率的繼續(xù)增加，焊縫變?yōu)槿弁?，此時(shí)金屬蒸汽同時(shí)從小孔上部和下部噴出，所以即使材料蒸發(fā)最為劇烈，但是材料上部的等離子體密度反而較小，從而保證了焊接過程的穩(wěn)定性。

以上試驗(yàn)分析表明，中厚板鋁合金焊接難以得到臨界焊透焊縫，往往表現(xiàn)為“透漏”，因此容易得到部分焊透焊縫，此時(shí)小孔的穩(wěn)定性最差，而全熔透焊的穩(wěn)定性相對(duì)較好。

2.4 焊接速度試驗(yàn)結(jié)果分析

激光功率與焊接速度之比即為焊接線能量，焊接線能量大小決定了焊接熱輸入大小，直接影響焊縫成形。試驗(yàn)過程中，保持激光功率為5KW，離焦量為-4mm和保護(hù)氣不變，研究焊接速度對(duì)焊縫成形的影響，如圖6。當(dāng)焊接速度從2.4m/min變到3.0m/min時(shí)，焊縫從全熔透狀態(tài)變成部分熔透狀態(tài)。全熔透時(shí)，焊縫上表面下塌嚴(yán)重但較均勻，下表面氧化嚴(yán)重;部分熔透的焊縫，上表面出現(xiàn)凸起或凹坑，說明此時(shí)焊縫表面波動(dòng)更為嚴(yán)重。焊接速度為4m/min～5.5m/min時(shí)，試板未能熔透，并伴隨少量飛濺，且焊縫上表現(xiàn)出現(xiàn)嚴(yán)重的表面凸起和凹陷，這可能是因?yàn)楦吖β矢咚偌す馕慈弁负附舆^程中，小孔前沿存在一定的傾斜角度，入射激光大部分照射在小孔前沿壁，前沿壁劇烈蒸發(fā)產(chǎn)生的反沖壓力驅(qū)動(dòng)熔池向下流動(dòng)，劇烈金屬蒸汽向后噴射沖擊小孔后沿上部熔池，驅(qū)動(dòng)熔融金屬快速向上流動(dòng)，熔融的金屬來不及向焊接方向回流就已經(jīng)冷卻凝固，形成凸起。

從圖7中可知，隨著焊接速度的增大，焊縫熔寬和熔深整體呈下降趨勢(shì)，尤其是熔深與焊接速度近似線性，焊縫熔寬則在臨界熔透附近有較大變化，當(dāng)焊接速度到達(dá)4.5m/min后，熔寬幾乎保持不變。在焊接速度較低時(shí)，大量金屬溶液流出小孔，在熔池上部聚集，從而增大熔池寬度。隨著焊接速度提高，熔池內(nèi)的Marangoni 對(duì)流減弱，焊縫上部的釘頭形狀慢慢消失，從而導(dǎo)致焊縫熔寬減小。

焊接速度對(duì)焊縫深度的方差的影響規(guī)律和激光功率類似，部分熔透狀態(tài)下的小孔深度的穩(wěn)定性最差，熔透狀態(tài)下小孔深度最為穩(wěn)定。

3 激光功率與焊接速度數(shù)值模擬驗(yàn)證

從8圖中可以明顯看出，隨著激光功率的增加，焊縫的熔深熔寬都隨著增大。當(dāng)從焊接速度為3.0KW到5.5KW時(shí)，熔池不再會(huì)熔透，熔池的形狀呈錐形，熔深和熔寬不斷的增大。當(dāng)激光功率為達(dá)到5KW時(shí)，試板開始出現(xiàn)熔透情況，焊縫的熔深和熔寬都明顯高于其它焊接功率下的模擬數(shù)值。將模擬結(jié)果導(dǎo)入Tcapture軟件測(cè)量對(duì)焊縫進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出熔池的熔寬在 1.88mm～3.55mm 之間變化，而熔深在1.27mm～6mm 之間變化，且隨著激光功率的增大而增大，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

從圖9中可以明顯看出，隨著焊接速度的減小，焊縫的熔深熔寬都隨著降低。當(dāng)焊接速度為最低的2.4m/min時(shí)，可以看出試板已經(jīng)熔透，焊縫的熔深和熔寬都明顯高于其它焊接速度下的模擬數(shù)值。從焊接速度為3.0m/min到5.5m/min時(shí)，熔池不在會(huì)熔透，熔池的形狀呈錐形，熔深和熔寬不斷的減小。將模擬結(jié)果導(dǎo)入Tcapture軟件測(cè)量對(duì)焊縫進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出熔池的熔寬在3.55mm～2.33mm之間變化，而熔深在1.41mm～6mm之間變化，且隨著焊接速度的增大而減小。

4 結(jié)論

（1）中厚板鋁合金激光焊接難以得到臨界焊透焊縫，往往表現(xiàn)為“透則漏”，因此容易得到部分焊透焊縫，此時(shí)小孔的穩(wěn)定性最差，而全熔透焊的穩(wěn)定性相對(duì)較好。

（2）在采用氬氣作為保護(hù)氣體的條件下，氣流量對(duì)鋁合金焊縫熔寬和熔深影響不大。但是對(duì)焊接過程的穩(wěn)定性影響較大，最佳氣流量范圍為20L/min～25L/min。

（3）離焦量會(huì)對(duì)焊縫的熔深與熔寬產(chǎn)生比較大的影響，在離焦量為-6mm～-4mm時(shí)，焊縫的熔深與焊接的穩(wěn)定性均達(dá)到一個(gè)較好水平。

（4）數(shù)值模擬的結(jié)果顯示，保持其它焊接參數(shù)不變，當(dāng)激光功率增加到P=5.5KW焊縫或者焊接速度減小到V=2.4/min時(shí)，焊縫出現(xiàn)熔透的情況。當(dāng)激光功率增大或者焊接速度減小時(shí)，焊縫的熔深和熔寬都同時(shí)變大，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟周東.6082鋁合金激光對(duì)接焊的焊接工藝與接頭性能研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2017.

[2]楊志斌.鋁合金機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)雙側(cè)激光焊接特征及熔池行為研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]盧艷，張靜，胡敬佩等.激光焊接鋁合金材料過程的建模與仿真[J].熱加工工藝，2012，41（01）：130-133.

[4]段偉，周麗紅.基于Simufact.welding的鋁合金薄板激光焊接模擬研究[J].熱加工工藝，2018，47（15）：168-171.

[5]張奇奇.鋁合金激光深熔焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及改善方案研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2017.

[6]彭春陽.基于動(dòng)網(wǎng)格的激光焊接小孔演變過程模擬[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[7]黃王敏，王海東.激光熔覆法制備復(fù)合納米氧化鋯涂層[J].熱加工工藝，2009，38（20）：81-83.

江蘇省重點(diǎn)科技項(xiàng)目：江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃—產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)資助項(xiàng)目（BE2016005-1）

作者簡(jiǎn)介：安升輝（1983-），男，河北石家莊人，碩士，副部長，主要從事激光焊接與材料分析方面研究及工程化實(shí)施工作。