6061铝合金光纤激光填丝焊工艺与性能研究

作者:蒋志伟;张玉 刊名:热加工工艺 上传者:冯银银

【摘要】采用光纤激光填丝焊工艺对6061铝合金进行焊接,研究了激光功率、焊接速度和送丝速度对铝合金激光焊接接头质量和热输入对接头拉伸性能的影响。结果表明,6061铝合金激光填丝最佳焊接工艺为激光功率2 k W、焊接速度3 m/min、送丝速度1.5~3.0 m/min。激光焊接接头抗拉强度随热输入增加而降低,热输入由80 J/mm增加到146J/mm,抗拉强度由218 MPa降低到206 MPa。

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铝合金具有密度低、导电导热性好、耐腐蚀性好、抗疲劳性能高等特点,不仅在航空航天等军事工业中广泛应用,而且在汽车工业中也占据重要地位。随着汽车轻量化的发展,铝合金作为轻量化材料可以代替钢铁结构,大大减轻汽车车身重量,减少废气排放[1]。铝合金活性较大,表面极易形成一层致密的氧化膜,焊接时易导致形成裂纹、气孔等缺陷。同时,铝合金中低沸点的合金元素焊接时容易蒸发烧损,降低焊接接头性能[2-3]。相比于搅拌摩擦焊、TIG焊、钎焊等焊接方法,激光填丝焊是通过添加合金焊丝来减少合金元素的烧损,可以有效抑制裂纹和气孔的产生,提高焊接接头性能[4-6]。国内北京工业大学肖荣诗等人、清华大学王成等人研究了CO2激光填丝焊工艺参数对铝合金焊接的影响,取得了一些研究成果,但基于高功光纤率激光器的研究较少[7-8]。因此本文以6061铝合金为研究对象,采用激光填丝焊方法,研究激光焊接工艺对铝合金焊接接头质量和性能的影响。1试验材料与方法试验用6061铝合金板材的尺寸为100mm60mm3.5mm,焊丝选用准1.5mmER5356焊丝,其化学成分见表1。焊接前将板材边缘进行铣削加工,并对表面进行化学处理和机械打磨,消除铝合金表面油污和氧化膜。试验采用YLR-6000光纤激光器,其最大输出功率为6kW,光斑直径为0.3mm。采用前送丝方式进行焊接,送丝角度45,离焦量-1.5mm,光丝间距2mm,采用Ar气保护,正面保护气流量10L/min,背面保护气流量15L/min,主要讨论激光功率1~5kW、焊接速度1~5m/min、送丝速度1.5~4.5m/min对焊接接头质量和性能的影响。元素CuSiMnFeMgZnTiCrAl6061ER53560.120.250.300.400.100.150.450.755.001.000.100.250.100.150.100.05余量余量表1试验材料化学成分(质量分数,%)Tab.1Chemicalcompositionoftestingmaterials(wt%)焊后切取试样,经镶嵌抛光后,采用Keller进行腐蚀,用金相显微镜观察其组织形貌。采用万能电子试验机测试焊接接头拉伸性能,试样尺寸按GB/T228-2002确定,拉伸速度为2mm/min;用扫描电镜观察拉伸断口形貌。2试验结果及讨论2.1工艺参数对焊缝成形的影响图1为焊接速度3m/min、送丝速度3m/min时不同激光功率下的焊缝形貌。由图可以看出,随着激光功率的增加,焊缝熔深逐渐增大。当激光功率为1kW时,铝合金表面温度升高,此时能量较低,焊缝属于固态加热过程。随着激光功率增加,铝合金表面开始熔化,当激光功率超过铝合金深熔焊功率阈值后,在极短的时间内迅速熔化和汽化,表面开始向下凹陷形成凹坑,使焊缝熔深增加。图2为激光功率2kW、送丝速度3m/min时焊接速度对焊缝熔深的影响。由图可以看出,随着焊接速度的增加,铝合金焊缝熔深逐渐降低。焊接速度越低,热输入量较高,小孔区内温度上升较快,金属蒸汽压力增加使小孔尺寸加大,增大对激光的吸收,熔池凝固速度变慢,热传导作用时间较长,从而熔化区增大,焊缝熔深和熔宽越大。随着焊接速度的增加,激光焊接热输入量减小,熔池存在时间变短,焊缝熔深减小。图3为激光功率2kW、焊接速度3m/min时送丝速度对焊缝熔深的影响。由图可知,随着送丝速度的增加,铝合金焊缝熔深减小。送丝速度小,单位时间内溶入熔池的焊丝量较小,熔池元素得不到很好的补充,焊缝出现咬边等缺陷,焊缝熔深浅。随着送丝速度增加,单位时间熔化焊丝较多,激光能量消耗较大,使熔池吸收的能量减少,因

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