0 前言铝合金由于密度低、强度高、耐蚀性好等优良特性，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、轨道交通等领域［1－6］。而焊接在提高材料利用率，降低成本以及减轻铝合金结构重量等方面也具有其独特的优势。激光焊接铝合金，因为焊接效率高、焊缝深宽比大、晶粒细小以及热影响区窄等优点而备受关注［7－9］。但是，焊件易产生咬边、气孔、裂纹等冶金缺陷，接头强度较低。D.Narsimhachary等人［10］采用二氧化碳激光器焊接2 mm厚的6061铝合金，发现焊后焊缝区域硬度较之母材有明显降低，经热处理后焊缝硬度稍有提高但仍明显低于母材。Y.Hiroto等人［11］采用CO2激光器进行了6xxx铝合金激光焊接，比较了填丝焊和自熔焊的焊缝密封性，发现填丝对减少裂纹有改善。S.Katayama等人［12］采用光纤激光器焊接几种铝合金，发现可以获得没有气孔的焊缝。研究证明，发展激光填丝焊，通过填充材料可以有效改善焊缝成形、减少冶金缺陷和提高焊接接头质量，对铝合金的实际应用具有重要意义。翟玉峰等人［13］研究了1.8mm厚的6061铝合金激光填丝焊工艺，发现与填充ER5356焊丝相比，填充ER4043焊丝的焊接接头热裂纹敏感性更低。姜亦帅等人［14］研究了激光填丝焊接6mm厚6061铝合金接头的显微组织和力学性能，并与MIG焊接接头进行对比，发现激光填丝焊接接头的抗拉强度高于MIG焊接接头，但在拉伸实验中两种焊接接头均在焊缝处断裂，且接头和母材的断裂方式均为韧性断裂。目前，国内外对6061铝合金激光填丝焊接的研究较少，且不能满足其在航空航天领域的广泛应用。 文中采用优化后的焊接工艺参数，获得了焊缝成型良好、无明显焊接缺陷的焊接试样，并对焊接接头进行微观组织分析及显微硬度测试，初步研究了6061铝合金激光填丝焊对接接头的组织形态及性能。 1 试验材料与设备试验用母材为6061－T651铝合金板材，尺寸为100mm×30mm×2mm；焊丝采用ER4047。母材及焊丝的具体化学成分见表1。 表1 试验母材及焊丝的化学成分（质量分数，%）  类别 Mg Si Fe Zn Ti Mn Cu Cr Al母材 1.2 0.8 0.7 0.25 0.15 0.15 0.15 0.04余量焊丝 0.1 1.2 0.8 0.20 — 0.15 0.03 — 余量 焊接试验采用IPG公司生产的YLS－6000掺镱光纤激光器，其激光波长为1 064nm，额定最大输出功率为6 000W。焊接过程的控制由KUKA KR30HA焊接机器人来完成，其最大工作范围为2 033mm，重复精度为±0.05mm。试验用保护气体为80%氩气＋20%二氧化碳，气体流量为15L／min。为了防止焊接缺陷的产生，焊前用砂纸打磨焊件表面并用丙酮擦拭以去除氧化膜和杂质。激光焊接示意图如图1所示。  图1 激光焊接示意图 焊后通过线切割的方法截取焊接接头制成金相试样，经过机械打磨和抛光后，采用Keller试剂进行腐蚀，对焊接接头微观组织进行观察并分析。显微硬度测试采用显微维氏硬度计，由焊缝中心开始，沿着垂直于焊缝中心线的一条直线，向焊缝一侧，每隔0.5mm打一个测试点并记录。 推荐理由:父子关系，是近现代中外文学经久不衰的一个主题。本书立足当代生活，在书写一个诗人既庸常又时而闪光的一段人生过程中，把主人公被父亲阴影笼罩、心灵不胜重负的精神世界挖掘得很有深度。小说出自诗人之手，故而叙述力避平铺，以转换视角、人称等多种手法使小说跌宕多姿，是一部较有特色的作品。 2 焊接接头显微组织分析由于不同工艺参数下焊接的试件的组织形貌不会发生改变，所以试验选出一组成型较好的试样进行显微组织分析。  图2 激光填丝焊接接头显微组织 激光功率为2.5kW，焊接速度为4m／min的焊件接头显微组织如图2所示。焊缝成型良好，缺陷较少，属于合格焊缝。从图2a中可以观察到三个界限分明的区域，即母材、热影响区和焊缝。母材显微组织如图2b所示，其中浅色的部分为α－Al基体，深色的部分为其主要的增强相Mg2Si，可以观察到增强相均匀分布于基体上。焊缝熔合线附近显微组织如图2c所示，由于激光焊接能量集中、热输入小，因此焊缝晶粒细小，热影响区较窄。焊缝晶粒的生长始于母材熔合区晶粒的外延生长，并以柱状晶的方式继续生长至焊缝中心。图2d所示为焊缝中心等轴晶组织。 根据相关标准，由于重合闸重合的整个过程会造成秒级的短时停电，为了减少对一般敏感负荷和敏感负荷的影响，希望将短时停电控制为瞬间中断的停电事件，所以故障跳闸不应超过3 s，建议重合闸时间整定为2.5 s较为合适。 对焊缝中心的析出相进行扫描电镜（SEM）显微形貌观察，并采用能谱仪（EDS）对析出相成分进行分析，结果如图3所示。经扫描电子显微镜观察，发现基体主要成分为α－Al，且焊缝内均匀分布着大量的条状和颗粒状的第二相。其中，颗粒状析出相可以阻碍位错滑移和裂纹扩展，有利于提高铝合金焊接接头的强度和硬度。但条状析出相易引起应力集中，形成微裂纹，会严重影响焊接接头的韧性。  图3 焊缝中心显微组织SEM图像及析出相EDS分析结果 由图3d可以看出，颗粒状析出相中含有1.05%的镁元素、18.38%的硅元素、0.72%的钙元素以及1.58%的铜元素。该相中硅元素及铜元素的含量有明显的增加，另外还存在微量的钙元素。钙在铝合金中溶解度极低，易与硅结合形成CaSi，不溶于铝，使硅的固溶量减少。并且微量的钙还有助于去除铝液中所含的氢。铜是铝合金中重要的合金元素，具有一定的固溶强化效果。时效析出的CuAl2还有明显的时效强化效果，对提高焊接接头的力学性能有重要作用。 课堂上教师通过与学生互动，不仅拉近了师生间的距离，而且课堂气氛非常活跃，学生回答问题的积极性较高，总的来看，达到了预期的教学效果. 图3e显示了点3处元素分布及含量。可以看出，条状析出相中含有1.26%的镁元素、3.8%的硅元素以及1.25%的铁元素。其中，镁和硅形成Mg2Si相，可以起到强化焊缝的作用，但铁与铝、硅结合生成针状的β－AlFeSi相会割裂基体，从而对焊缝造成不利影响。 3 焊接接头显微硬度测试及分析激光填丝焊接头区域硬度试验结果如图4所示。可以看出，焊缝区的平均硬度值远高于热影响区和母材，热影响区的硬度最低，母材区域的硬度稍有上升，并最后趋于平稳。由接头显微组织分析可以看出，焊缝区的晶粒尺寸较小，且焊缝中含有大量第二相强化粒子时，这些沉淀相会阻碍位错的滑移，从而提高位错滑移的临界分切应力，使焊缝的硬度升高。而且，由于焊丝带入了大量的硅元素，其结晶析出的硅易形成硬质点，从而使焊缝的硬度提高。另外，一些杂质元素对硬度也有一定的影响作用，由图3d可以看出焊缝中含有较多的氧、钙等杂质元素，这些元素能与铝形成质地较硬的化合物，对硬度有一定的提高作用，但会降低焊缝的韧性。热影响区晶粒由于受热粗化，晶粒长大严重，晶界减少，晶界对位错阻碍的作用也减小，位错在较小的外加切应力下就能发生滑动，塑性变形能力增加，导致力学性能极为不均匀，硬度也较低，成为整个接头最薄弱的环节。母材区域靠近热影响区的部分其硬度也略有降低，说明其也受到了焊接热循环的影响。  图4 接头区的硬度分布 4 结论（1）通过金相观察，焊接接头由三部分组成，即母材、热影响区和焊缝。由于激光焊接能量集中、热输入小的特点，焊缝晶粒细小，热影响区窄。 （2）由SEM观察结果可知，基体主要成分为α－Al，且焊缝内存在大量的条状和颗粒状的析出相。其中，颗粒状析出相可以阻碍位错滑移和裂纹扩展，有利于提高铝合金焊接接头的强度和硬度。但条状析出相易引起应力集中，形成微裂纹，会严重影响焊接接头的韧性。 催化油浆是催化裂化反应过程的副产品，因原料、工艺条件的差异，各炼厂所产催化油浆的组成和性质也各不相同，但其化学组成具有密度大，稠环芳烃含量高，氢碳原子比低等特点，是一种低附加值的副产品。根据催化油浆的性质，利用其所含优质碳资源的特性，可将其作为原料生产不同需求的新型碳材料和多种化工产品。但催化油浆中包裹的催化剂和焦粉粉末等机械杂质严重影响深加工产品的质量，因此，进一步开发利用催化油浆就必须采取科学合理的方法有效地脱除油浆的催化剂粉末，以满足后续加工单元的需求。 （3）焊缝区的平均硬度值远高于热影响区和母材，热影响区的硬度最低，母材区域的硬度稍有上升，并最后趋于平稳。其中，焊缝区的硬度增高与焊缝中析出的大量第二相增强粒子、结晶析出的硅硬质点以及杂质元素与铝形成的质地较硬的化合物有关。热影响区及部分母材区域的硬度降低与焊接热循环有关。 参考文献 ［1］ Dursun T，Soutis C.Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys［J］. Materials ＆ Design，2014，56（4）：862－871. ［2］ 李京.高速列车6061铝合金激光焊接工艺研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学硕士学位论文，2015. ［3］ 刘昕，陈俐.薄板铝合金激光填丝焊组织性能分析［J］.焊接，2009（5）：52－56. ［4］ 刘志华，赵兵，赵青.21世纪航天工业铝合金焊接工艺技术展望［J］.导弹与航天运载技术，2002（5）：63－68. ［5］ 张波，方志刚，李向阳，董彩常.铝合金船舶的腐蚀防护技术现状与展望［J］.中国材料进展，2014（7）：414－417. ［6］ 隋信勤，刘海石，闫振武.铝材在交通运输业中的应用和发展趋势［J］.全国第十三届轻合金加工学术交流会论文集，2005. ［7］ 占小红，欧文敏，魏艳红，等.大型客机机身壁板激光焊接工艺性分析［J］.航空制造技术，2014，461（17）：40－45. ［8］ 陈国庆，柳峻鹏，树西，等.铝合金焊接工艺的研究进展［J］.焊接，2017（9）：7－12. ［9］ 余暕浩，张家骅，马玉莹.5052铝合金光纤激光焊工艺［J］.焊接，2017（8）：61－63. ［10］ Hirto Yamaka，Masahiro Yuki.CO2laser welding of aluminum A6063alloys.轻金属熔接，1991，29（11）：5－13. ［11］ Katayama S，Nagayama H，Mizutani M，et al.Fiber laser welding of aluminum alloy［J］.Welding International，2009，23（10）：744－752. ［12］ Narsimhachary D，Bathe R，Padmanabham G，et al.Influence of temperature profile during laser welding of aluminum alloy 6061T6on microstructure and mechanical properties［J］.Advanced Manufacturing Processes，2014，29（8）：948－953. ［13］ 翟玉峰，黄坚，李敏，等.6061－T6铝合金高速高功率CO2激光填丝焊接性的研究［J］.中国激光，2011（5）：80－85. ［14］ 姜亦帅，杨尚磊，王妍，等.6061铝合金激光填丝焊接接头的组织与力学性能［J］.机械工程材料，2018（3）：52－56. |
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