预置焊粉激光焊接铝合金组织观察

Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２００６　．・试验与研究・　ｌ５　
文章编号：１００２—０２５Ｘ（２００６｝０５—００１５—０２　

预置焊粉激光焊接铝合金组织观察　

李殿凯，袁晓敏　
（安徽Ｉ￣ｌｌ，大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山２４３００２）　

摘要：采用ＣＯ２激光器对铝合金进行了预置焊粉焊接。在焊粉中添加一定量的镍包铝，提高了焊缝的熔化温度，得到了良好的接头组　
织；用扫描电镜对其焊缝组织进行了观察，为典型的柱状共晶铸造组织；对焊缝的显微硬度分布进行了测试，从焊缝处的ＨＶｏｔ　１５０－　
ｌ６ｏ到基体的ＨＶ　７０～８０，硬度连续分布。　
关键词：铝合金；激光焊接；共晶组织；显徽硬度　
中图分类号：ＴＧ４５７　１９　文献标识码：Ｂ　

铝合金的激光焊接难度非常大．主要是铝合金激光焊接时　
光束反射极为强烈，造成ｊ＝【二件对光束能量吸收困难。铝合金焊　接存在以下几个技术难点：①铝的熔点低，导热性高，热容量　大，线膨胀系数大；②铝和氧有很大的亲和力，其氧化物会造　成焊缝中产生夹杂物；③铝在液态时可吸收大量的氢气。因此　铝的焊接易生成气孔；④铝及其合金加热温度达到熔点时，由　固态转变为液态时过程进行得快．且无颜色变化．因此在焊接　操作上有一定困难【】１。在工业生产中。特别是对厚度相差较大　的铝合金板进行激光焊接时，由于激光能量相对集巾．往往在　焊缝处会出现薄板烧损而厚板未焊透的现象。本试验以铝硅合　金粉作为填充材料并用镍包铝作为放热剂．同时在焊接时将激　光的聚焦斑稍偏向厚板处。以期降低激光对薄壁板的烧损．　达到改善焊缝外观质量的目的，同时对其焊缝组织进行了观　察研究。　１试验设备及材料　采用｜ｒＪ—ＨＩ　一Ｔ５０００横流式ＣＯ２激光器，最大输出功率为５　ｋＷ。所用铝板厚度分别为１　ｍｍ和１０　ｍｍ，并在厚板处开单侧　坡口。试样用酸碱清洗去除氧化膜并用丙酮去油后，将５０％铝　硅合金粉＋５０％镍包铝粉用火棉胶混匀预置进坡口中并干燥。　采用功率１　８００　Ｗ．扫描速度２８０　ｍｍ／ｍｉｎ，束斑直径６　ｍｍ进行　激光焊接．焊接过程中采用纯Ａｒ保护熔池。　金相试样经抛光后用王水腐蚀．用ＪＳＭ一３５Ｃ型扫描电镜进　行组织观察．并对焊缝的显微硬度进行了测试。　２试验结果与讨论　２．１　显微组织　试样表面将所吸收的能量转变为热能，使表面温度升高而　收稿日期：２００６—０２—２１：修回日期：２００６—０８—２９　熔化。然后通过热传导方式将热量向内传导，使熔化区逐渐扩　大．凝固后形成焊缝嘲。焊缝的宏观形貌如图１所示。　

薯　《　蔓量　委　¨　
图Ｉ焊缝的宏观形貌　
其焊接接头区域未见有气孔裂纹等焊接缺陷．这与文献　
【３】相吻合，该文献提出，选择合适的吹气保护，同时对合金　
表面进行相应的预处理．可以在一定程度上减少气孔的产生，　
同时提高焊速也可以减少气孔的产生。由于铝合金对激光的反　
射率高，有较高的能量损失　。在本试验中，将激光束稍偏向厚　
板处。并且在铝硅合金中添加了５０％的镍包铝。根据杠杆原理　
在相图上预测。可知Ｎｉ和Ａ１可以产生强烈的放热反应【　，正是由　
于镍铝合金在熔化反应过程中放出大量的热量，可以提高熔池　
的温度．也可以提高熔池与基体的结合，也达到了提高焊接质　
量的目的。　
焊缝组织是所填焊料熔化后的急冷组织。由于熔池的体积　
小。周围又被冷金属所包围。所以熔池的冷却速度较大并且熔　
池的周围与边缘存在较大的温度梯度。焊接接头中沿着温度降　
低的方向依次为焊缝区、熔合区、热影响区和基材区。焊缝中　
不同区域的组织如图２～５所示。　

圉２焊缝与基体交界处　圉３熔合区组织形貌　
在激光焊接过程中熔池的凝固过程为快速凝固，存在着强　

烈的定向热流和温度梯度，晶体以胞状生长，得到柱状晶。由　
图２，３可以看出，熔合区中靠近基体处组织细小，沿焊缝散热　
方向为典型的柱状铸造组织。　

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１６・试验与研究・　焊接技术　第３５卷第５期２００６年１Ｏ月　
从图中还可以看出．柱状组织中存在着集束式的针状亚结　构，即每个晶粒由一束相互平行的针状晶组成。不同的晶粒之　间针状晶位向不尽相同．而在同一晶粒内针状晶必定具有相同　的位向，说明它们在结晶过程中具有择优取向性。由文献【５】　可知，这些柱状晶可能为Ｎｉ　ｌ合金相。越靠近熔池表面区域　组织越细小，如图４所示。　图４寰面区组织形貌　对树枝晶进一步观察发现．在枝晶间有大量的初晶Ｓｉ存　在．这些初晶Ｓ油原来的片状生长方式改变为细小的珊瑚状（图　５ａ），虽然Ｓｉ是与铝有共晶反应的合金元素，根据相图可知．所用　的铝硅合金应形成过共晶组织。硅以片状先结晶析出，剩余的硅　与铝以伪共晶或共晶的方式析出（图５ｂ）。　ｆｈ　图５柱状晶中的铝硅共晶形貌　文献［６】认为这种组织不易产生裂纹和其它缺陷。但是经　过激光加热熔化后，在凝固的过程中具有比一般凝固方式高得　多的过冷度和非常快的凝固速度，在这种条件下，由于激冷变　质的作用改变了Ｓｉ的小晶面结晶的生长方式，成为各向同性的　纤维状生长而很大的过冷度又促进其纤维密集分枝［７１。由参考　文献【８】及［９】可知，可能会形成Ｎｉ３Ｓｉ金属间化合物，它与ＮｉＡ１合　金形成共格分布，但用金相方法不能显示。　２．２显微硬度　焊缝的显微硬度曲线如图６所示，显示出了焊缝的硬度分　布。焊缝的硬度为ＨＶ　。１３０～１４０，而基体的硬度值为ＨＶ　。７０～　
８Ｏ。焊缝的硬度大约为基体硬度的１．５～ｌ＿６倍左右。沿着焊缝　
区、熔合区、热影响区和基体区的方向．显微硬度相应降低。　
在熔合区与热影响区硬度急剧减小．直到达到基体的硬度。在　
焊缝处显微硬度明显高于基体处．这主要是由于在焊缝处镍包　
铝的加入形成了镍铝合金相。　

１８０　
１６０　
１４０　
墨１２０　
１ｏ０　
８０　
６０　
０　１　２　３　４　５　６　

焊缝到基体的距离／ｍｍ　

图６焊缝显微硬度曲线　

３结论　
采用功率１　８ｏ０　Ｗ、扫描速度２８０　ｍｍ／ｍｉｎ、束斑直径６　ｍｍ　
进行激光焊接．添加一定量的镍包铝可以得到无缺陷的焊缝：　
其焊缝组织为典型的柱状共晶铸造组织。越靠近熔池表面组织　
越细小，并且在树枝中有细小珊瑚状初晶硅存在。焊缝的硬度　
为ＨＶ舢１５０～１６０，基体为ＨＶｎ。７Ｏ～８Ｏ。焊缝的硬度比基体硬度　
提高了２倍。　

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