铝-镍异种金属激光焊接组织性能研究.pdf

2023年 第9期 热加工56焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g铝-镍异种金属激光焊接组织性能研究马军龙中国一重（黑龙江）重工有限公司黑龙江161041摘要：针对铝-镍接头的连接要求，使用半导体激光器对铝1060-镍200进行了脉冲激光焊接。通过改变焊接速度和激光功率两项参数对铝-镍异种金属进行了激光焊接试验。通过观察焊缝成形，分析焊接前后接头的焊缝形貌和力学性能，进而得出焊接参数对接头成形与性能的影响规律，从而确定合适的铝-镍异种金属焊接参数。在多组试验中，推测出铝-镍异种金属激光焊大致的参数范围，并对试件进行试验。结果表明：当功率为2.0kW、氩气保护流量为12mL/min、焊接速度为40mm/s时，焊接效果最佳。关键词：铝1060；镍200；激光焊接；组织性能1 序言随着有色金属应用的日益广泛，其连接技术也随之备受关注。工业纯镍具有优异的耐腐蚀性能，在工业生产中，纯镍主要用来制造不锈钢以及其他抗腐蚀合金。纯镍的液态凝固过程没有相变，非常容易生成低熔点的共晶体，出现热裂纹等缺陷。在传统焊接过程中，焊接快速冷却凝固过程极易出现裂纹、气孔及晶粒粗大等缺陷，严重影响焊接接头的耐腐蚀性能与力学性能。铝的密度小、延展性好，不仅耐蚀性、导热性及导电性等性能优良，而且在很低的温度下依然能够得到满意的力学性能，在化工、机械、交通、建筑、航空航天及日常生产生活等领域得到了广泛应用。国内外常采用传统的焊接方法（如MIG、TIG等）对此类金属进行焊接，但所焊接的接头强度较低，且焊缝容易产生气体、夹渣、裂纹等缺陷。因此，探索新的焊接方法在镍、铝构件中的运用，是非常必要和迫切的，开展铝-镍异种金属的激光焊接技术研究具有重要意义1，2。2 试验材料与方法试验采用材料为铝1060和镍200，其化学成分分别见表1、表2。铝1060和镍200的微观组织如图1所示。激 光 焊 前，首 先 从 铝 板 材 中 切 取 尺 寸 为60mm30mm1mm的焊接试样，从镍板材中切a）铝1060 b）镍200 图1母材金相组织 表1铝1060的化学成分（质量分数）（%）CuMgMnZnTiVSiFeAl0.05 0.05 0.05 0.05 0.03 0.05 0.2500.400余量 表2镍200的化学成分（质量分数）（%）CuFeMnCSiSNi0.250.400.350.150.350.01余量2023年 第9期 热加工57焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g取尺寸为60mm10mm0.1mm的焊接试样，然后用砂纸清理试件表面的氧化膜，并用丙酮清洗，保证试件表面平整、洁净3，随后按图2所示形式进行装夹。装夹完成后，用焊接机器人控制板编写出点焊的焊接程序，准备完毕，将面板调至自动运行状态，在不使用激光的情况下运行一遍流程，检查程序是否正确，机器人是否按照预想的轨迹行走，待程序完全正确，将激光调至自动档，即可焊接4。焊接结束后，焊点周围会出现烟尘，并附着在母材和焊缝上，需用钢刷轻轻刷掉飞溅的少许金属，并用脱脂棉沾丙酮擦拭，风干即可。在激光焊接铝和钢的试验中（见图3），通过调整焊接参数（焊接速度、激光功率）来改变焊接热输入，研究其对不锈钢搭接接头焊缝熔深、熔宽、接头组织和拉伸性能等的影响规律5，6。焊接采用脉冲激光焊，以减少热输入，激光脉冲波形如图4所示，频率为200Hz7。焊接参数设定以能焊透1mm铝板为标准，经过反复试验，激光功率设定为1.82.6kW，焊接速度设定为2050mm/s。氩气保护流量为12mL/min，为达到控制温度的目的，采用脉冲激光进行焊接，激光频率为200Hz。3 试验结果及分析3.1 典型接头组织结构分析将焊好的试件用线切割制成金相试样，经逐级打磨抛光后在光学金相显微镜下观察，激光功率为2.6kW，焊接速度为40mm/s的试件焊缝组织如图5所示。由图5可看出，焊缝中心主体为粗大组织，而热图2焊接夹具图3激光焊接示意图4激光脉冲波形a）焊缝的宏观组织c）焊缝的微观组织图5激光焊缝组织b）焊缝组织2023年 第9期 热加工58焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g影响区边界晶粒生长受到限制。在该参数下，焊缝组织较均匀，焊缝性能有所下降。为确定各反应区域的元素分布，对图5中白线经过的区域进行能谱线扫描，元素分布如图6所示。由图6可知，由于是铝-镍异种金属材料激光焊接，在激光功率为2.6kW、焊接速度为40mm/s时，接头从焊缝中心区域到母材各元素含量变化较大。为了确定各反应特征区中各可能相的存在，对界面区进行XRD分析，结果如图7所示。由能谱分析和XRD分析确定接头界面处存在Ni、Al、Ni3Al等相。图7接头界面XRD分析结果b）2号接头（P2.0kW、v40mm/s）a）1号接头（P1.8kW、v40mm/s）图6接头线扫描元素分布 c）3号接头（P2.4kW、v40mm/s）d）4号接头（P2.6kW、v40mm/s）图8不同激光功率下的接头界面金相组织4 结束语采用半导体激光器对铝1060-镍200进行了激光搭接焊，分析了接头组织结构及焊接参数对接头形貌与组织结构的影响，并探讨了组织的形成机理，主要结论如下。3.2 激光功率对接头组织的影响图8所示为将焊接速度固定为12mm/s、不同激光功率下的铜-钢接头界面金相组织。由图8可知，随着激光功率的增加，铜-钢接头的母材熔化量明显增加，铝的熔化量多于镍的熔化量；同时，焊缝的熔深增加，变形及应力增大；激光功率为2.2kW时，由于功率较小，接头结合界面平滑，界面处铝侧组织与热影响区组织一致；当激光功率为2.6kW时，镍侧母材焊缝柱状晶组织区域增大，母材变形量大，有较大的塌陷，焊道部分出现漏焊的现象。（下转第63页）2023年 第9期 热加工63焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g3）所有过焊孔处均需焊接包角。4.5 火焰矫正火焰矫正温度650，矫正过程中采用远红外测温仪随时监控，严禁向高温部位泼水，避免因淬硬组织出现而影响钢板性能。5 结束语通过德国跨越莱茵河公路斜拉桥的建造，熟悉了欧洲标准和德国标准对桥梁钢结构焊接技术要求，提高了我公司桥梁钢结构整体建造水平，为海外项目的竞标打下了坚实基础。参考文献：1 CENExecution of steel structures and aluminium structures Part 2：Technical requirements for the execution of steel structures：EN 1090-2：2018SUK：CEN，20112 CENSpecification and qualification of welding procedure for metallic materials part 1：Arc and gas welding of steels and arc welding of nickel alloys：EN ISO 15614-1：2004A2：2012SUK：CEN，2012 3 CENSpecification and qualification of welding procedure for metallic materials Qualification based on pre-production welding test：EN ISO 15613：2004S UK：CEN，20044 DVSVerfahrenspruefungen Im Konstruktiven Ingenieurbau：DVS 1702：2009S GER：DVS2009 5 CENDesign of steel structures Part 1-10：Material toughness and through-thickness properties：EN 1993-1-10：2005SUK：CEN，2005.6 CENDesign of steel structures Part 1-10：Material toughness and through-thickness properties：EN 1993-1-10：2005S UK：CEN，2005 202305161）在铝-镍激光焊接接头中，当激光功率较低或焊接速度较快时，铝-镍接头界面的母材熔化量较少，同时铝-镍接头的熔宽及变形较小；当激光功率升高或焊接速度降低时，母材熔化量增大，焊缝的熔宽增加，铝侧焊缝柱状晶组织区域增大，镍侧热影响区晶粒增大；当激光功率为2.6kW时，变形增大，焊缝有较大的塌陷，部分出现焊漏的现象。2）铝1060-镍200焊接接头的组织结构为Al、Ni及Ni3Al金属化合物。参考文献：1 周学凯，米高阳，刘森，等304不锈钢/T2紫铜超薄板激光搭接焊J中国激光，2017，44（8）：130-138.2 李春玲，樊丁，于晓全，等铝/镀锌钢电弧辅助激光涂粉填丝熔钎焊方法J中国激光，2016，43（7）：131-138.3 王欣，焦俊科，张文武，等.表面状态对激光焊接7075铝合金组织和性能的影响：第四届激光先进制造技术应用研讨会论文集C北京：中国光学学会激光加工专业委员会，2015.4 吴胜川，朱宗涛铝合金的激光焊接及性能评价M北京：国防工业出版社，2014.5 续敏，李向荣，杨化林5052铝合金激光焊接接头组织和性能研究J热加工工艺，2017，46（1）：236-237，242.6 范哲超，陆明，丰洪微PLC控制激光焊接2524铝合金接头的组织研究J热加工工艺，2017，46（5）：63-67.7 张亦弛，赵占西，周翔，等5052铝合金脉冲激光焊接温度场模拟J热加工工艺，2017，46（3）：242-245.20230405（上接第58页）