6061铝合金型材激光填丝焊工艺研究
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a）母材金相组织
b）熔合线组织
c）焊缝组织 图8 焊接接头显微组织
4 结束语
1）增大激光功率后，焊缝熔深随之增加，余高 减小，背部熔透较大，过大的激光功率将导致焊缝
塌陷。当焊接接头处在熔透的临界状态时，送丝速
度的增加将导致接头未焊透。激光入射角在铝合金
型材焊接过程中对焊缝质量有一定影响，入射角为
90°时接头质量较高。 2）试样断裂位置为焊接接头的热影响区，平均
e）送丝速度5.5m/min焊缝外观 f）送丝速度5.5m/min焊缝截面形貌 图3 不同送丝速度焊缝外观及截面形貌
（3）激光入射角对焊缝成形的影响 在铝合 金型材焊接过程中，激光入射角对焊缝质量有很大 影响，图4为不同激光入射角焊接，功率4kW，送 丝速度3.5m/min，焊接入射角分别为60°、90°、 120°，图5为不同入射角焊缝外观及截面形貌。从 图5a可以看出，当激光束入射角为60°时焊缝熔深 更大，更容易被焊透，原因是入射角为60°时激光 束对型材薄板侧作用更大，激光束可以直接将薄板 一侧焊透形成匙孔，且匙孔更为稳定。当光束入射 角为120°时，激光束更直接地作用于立筋厚板处，
焊接采用了TRUDISK8002激光器，激光通过 φ 200μ m的光纤进行传输，K U K A K R90工业机器
人作为机械传动系统及Fronius VR7000送丝机构， 焊缝采用对接不开坡口，焊前使用丙酮清理母材表 面油污、灰尘等，用气动钢丝刷打磨焊缝及其两侧 25mm区域内氧化膜至露出金属光泽，并用酒精对 待焊部位进行清理。焊接过程如图1b所示。
使用蔡司M2m光学显微镜对焊接接头不同位
热加工
23 2021年 第3期
焊接与切割
Welding & Cutting
图7 焊接接头显微硬度分布 置进行金相观察，图8a为母材金相组织，从中可以 看出母材组织较为粗大。图8b、图8c分别为熔合线 及焊缝组织，分析发现焊缝组织为细小的树枝晶， 熔合线靠近焊缝一侧为粗大的柱状晶，由热影响区 一侧向焊缝中心伸展，靠近热影响区侧则存在细小 的等轴晶，原因是靠近热影响区侧母材与填充材料 成分不同，熔化过程中发生冶金反应，化学成分发 生改变，过冷度更大，形核质点增加，形核速度更 快，晶粒更为细小。
镁合金微观组织及力学性能的影响[J].材料导报， 2018，32（4）：1289-1293. [2] 汪健坤，李强，黄磊，等.激光焊接技术最新研究 进展及应用现状[J].金属加工（热加工），2020 （3）：4-10. [3] 郑文健.铝合金T型接头双束激光双侧同步焊接的数 值模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. [4] 冯杰才，陈东高，谭兵，等.AZ31激光-MIG复合热 源焊接参数对焊缝形貌的影响[J].兵器材料科学与工 程，2009，32（2）：100-103. [5] 毛建伟.原位钛基复合材料的焊接工艺与机理研究 [D].上海：上海交通大学，2014. [6] 王军.铝合金光纤激光及其复合焊接的等离子体行为 与工艺研究[D].武汉：华中科技大学，2012. [7] 王书华，杜永勤，杨小艳.S31803双相不锈钢对接接 头焊接工艺参数研究[J].石油和化工设备，2014， 17（5）：38-40. [8] 孙四全，王立君.镁合金焊接接头力学性能的研究现 状[J].机械工程材料，2005，29（10）：1-2. [9] 王慧.304不锈钢激光焊接接头形貌与组织性能研究 [D].武汉：武汉理工大学，2015.
a）拉伸试样
c）入射角90°焊缝外观
d）入射角90°焊缝截面形貌
e）入射角120°焊缝外观
f）入射角120°焊缝截面形貌
图5 不同激光入射角焊缝外观及截面形貌
3.2 拉伸性能分析 当激光功率为4.0kW、送丝速度为3.5m/min、
焊接入射角为90°时，焊缝成形良好，对焊接接 头进行力学性能试验。根据GB/T 2651—2008《焊
3 试验结果与分析
3.1 焊缝成形情况 激光填丝焊接过程中涉及的主要焊接参数有离
焦量、焊接速度、送丝速度与激光功率等。本试验 过程中离焦量为0、焊接速度为3m/min等参数保持 不变，研究了激光功率、送丝速度、激光入射角度 对焊缝成形的影响[3]。
（1）激光功率对焊缝成形的影响 随着激光 功率的变化，焊缝熔深、熔宽及余高发生了明显变 化，图2所示为不同激光功率焊接下的焊缝外观及截 面形貌[4]，激光入射角90°，送丝速度3.5m/m i n。 从焊缝外观及截面形貌可知，当激光功率由4kW增 加到5.5kW时，焊缝余高逐渐减小，熔深增加，背 部熔透增大，熔宽增大。当激光功率过大时将引起 焊缝塌陷[5]。激光功率的增加直接加大了焊接热输 入，适当的焊接热输入可以使填充金属与熔池铺展
2 试验材料及方法
试验母材为6061铝合金型材，T6态，型材截面 如图1a所示，试板尺寸为300mm×150mm×2mm。 填充材料为E R4047焊丝、φ 1.2m m。保护气体 为Ar，纯度＞99.99%，母材和焊丝化学成分见 表1，母材平均抗拉强度为312MPa，屈服强度为 276.5MPa，断后伸长率为11.34%。
a）型材截面
b）焊接过程 图1 型材截面及焊接过程
热加工
21 2021年 第3期
焊接与切割
Welding & Cutting
表1 6061铝合金和ER4047焊丝 化学成分（质量分数）
（%）
材料 Si Mg Fe Cu Mn Cr Ti Zn Al 6061 0.62 0.92 0.20 0.22 0.08 0.28 0.10 0.15 余量 ER4047 11.70 0.01 0.18 0.01 0.01 — — 0.01 余量
接接头拉伸试验方法》进行拉伸试样的制备，焊后 使用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机对焊接 接头进行横向拉伸破坏性试验，结果见表2。拉伸 断裂试样如图6所示，焊接接头的平均抗拉强度为 276M P a，试样断裂位置为焊接接头的热影响区[7]， 焊接接头的抗拉强度达到母材抗拉强度的88%[8]。
22 2021年 第3期
热加工
焊接与切割
Welding & Cutting
图4 激光束不同入射角度焊接
吸收了更多能量，焊接接头实现单面焊双面成形相 对困难，立筋熔深更大，同时激光功率过大将导致 立筋处焊穿（见图5f）。当激光入射角为90°时焊 缝成形较好（见图5d），实现了单面焊双面成形。
a）送丝速度3.5m/min焊缝外观 b）送丝速度3.5m/min焊缝截面形貌
c）送丝速度4.5m/min焊缝外观 d）送丝速度4.5m/min焊缝截面形貌
a）激光功率4.0kW焊缝外观 b）激光功率4.0kW焊缝截面形貌
c）激光功率4.5kW焊缝外观 d）激光功率4.5kW焊缝截面形貌
e）激光功率5.0kW焊缝外观 f）激光功率5.0kW焊缝截面形貌 图2 不同激光功率焊缝外观及截面形貌
开，增加了熔宽及熔深，减小了焊缝余高，因此合 适的激光功率将会得到优质的焊接接头。
（2）送丝速度对焊缝成形的影响 图3为不同 送丝速度下焊缝外观及截面形貌[6]，送丝速度分 别为3.5m/min、4.5m/min、5.5m/min，激光功率 3.5kW，激光入射角90°。从图3中明显可以看出， 当送丝速度增加时焊缝熔深减小，当焊接接头处在 熔透的临界状态时送丝速度的增加将导致接头熔深 减小，原因是冷丝的加入需要熔化的热量大于吸收 的热量，熔池单位体积热量减少，将会引起焊缝未 熔透，不能实现单面焊双面成形。
b）断裂位置 图6 焊接接头拉伸断裂试样
3.3 接头硬度 使用FV-810 型维氏显微硬度计沿焊接接头中心
进行硬度测试，测试点间距0.5mm，测试点从母材 一侧经过热影响区、焊缝区至焊缝另一侧母材[9]。 对焊接接头进行硬度分析发现，焊接接头硬度最低 处出现在接头热影响区，硬度值为68.2HV，热影响 区硬度在68~95HV之间，这与拉伸断裂位置一致， 说明热影响区存在软化，从硬度分布（见图7）可以 发现，单侧热影响区宽度为4~5mm。 3.4 焊接接头金相组织
抗拉强度达到276MPa，达到母材抗拉强度的88%。 3）从金相组织可以看出ห้องสมุดไป่ตู้母材组织较为粗大，
焊缝组织为细小的树枝晶，熔合线靠近母材一侧为
粗大的柱状树枝晶，靠近热影响区存在细小的等轴
晶。
4）焊接接头硬度最低处出现在接头热影响区， 硬度值为68.2HV，单侧热影响区宽度为4~5mm。 参考文献： [1] 俞良良，张郑，王快社，等.搅拌摩擦加工对AZ31
20201224
24 2021年 第3期
热加工
1 序言
铝合金因其密度低、比强度高、焊接性能良好 及回收利用率高等优点被广泛应用于航空航天、轨 道车辆、汽车制造等领域[1]，但是在TIG、MIG焊接 铝合金过程中会产生较大的焊接变形和接头软化问 题，大大降低了焊接结构的精度及质量。激光焊接 与传统TIG、MIG焊相比能量更为集中，具有更低 的热输入及变形，因此铝合金激光焊接受到广泛关 注。激光填丝焊是在激光焊基础上发展而来的，其 优点是对装配间隙容忍度更高，同时可以改善焊缝 的合金成分，提高焊接质量[2]。本文针对1.5m m厚 6061铝合金型材进行激光填丝焊，研究了焊接参数 对焊缝质量的影响，并对接头进行了拉伸、硬度测 试，分析了接头不同位置的微观组织。
焊接与切割
Welding & Cutting
6061铝合金型材激光填丝焊工艺研究
周金旭，贾永强，李强，张威，林相远 辽宁忠旺集团有限公司 辽宁阳 111003
摘要：针对车用1.5mm厚6061铝合金型材进行了激光填丝焊试验，研究了激光功率、送丝速度、激光入射角度 对焊缝成形的影响，并对焊接接头的力学性能、显微硬度及不同位置的微观组织进行了分析。结果表明：在 合理的焊接工艺下焊缝表面成形良好，实现了单面焊双面成形。激光功率过大将引起焊缝塌陷；激光功率过 小、送丝速度过大，将导致焊缝未焊透和余高过高；激光入射角度对型材焊接熔深具有一定影响。对接头进 行拉伸试验，接头强度达到母材实际强度的88%，接头断裂位置为热影响区，通过光学显微镜对接头组织进行 观察，焊缝组织为细小的树枝晶。 关键词：激光填丝焊；焊接工艺；微观组织；力学性能
表2 拉伸试验结果
编号
屈服强度 断后伸长率 抗拉强度
/MPa
（%）
/MPa
平均抗拉 强度/MPa
断裂位置
4-1 226
3.00
279
热影响区
4-2 223
3.12
276
热影响区
276
4-3 220
3.44
274
热影响区
4-4 227
2.88
275
热影响区
a）入射角60°焊缝外观 b）入射角60°焊缝截面形貌
b）熔合线组织
c）焊缝组织 图8 焊接接头显微组织
4 结束语
1）增大激光功率后，焊缝熔深随之增加，余高 减小，背部熔透较大，过大的激光功率将导致焊缝
塌陷。当焊接接头处在熔透的临界状态时，送丝速
度的增加将导致接头未焊透。激光入射角在铝合金
型材焊接过程中对焊缝质量有一定影响，入射角为
90°时接头质量较高。 2）试样断裂位置为焊接接头的热影响区，平均
e）送丝速度5.5m/min焊缝外观 f）送丝速度5.5m/min焊缝截面形貌 图3 不同送丝速度焊缝外观及截面形貌
（3）激光入射角对焊缝成形的影响 在铝合 金型材焊接过程中，激光入射角对焊缝质量有很大 影响，图4为不同激光入射角焊接，功率4kW，送 丝速度3.5m/min，焊接入射角分别为60°、90°、 120°，图5为不同入射角焊缝外观及截面形貌。从 图5a可以看出，当激光束入射角为60°时焊缝熔深 更大，更容易被焊透，原因是入射角为60°时激光 束对型材薄板侧作用更大，激光束可以直接将薄板 一侧焊透形成匙孔，且匙孔更为稳定。当光束入射 角为120°时，激光束更直接地作用于立筋厚板处，
焊接采用了TRUDISK8002激光器，激光通过 φ 200μ m的光纤进行传输，K U K A K R90工业机器
人作为机械传动系统及Fronius VR7000送丝机构， 焊缝采用对接不开坡口，焊前使用丙酮清理母材表 面油污、灰尘等，用气动钢丝刷打磨焊缝及其两侧 25mm区域内氧化膜至露出金属光泽，并用酒精对 待焊部位进行清理。焊接过程如图1b所示。
使用蔡司M2m光学显微镜对焊接接头不同位
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图7 焊接接头显微硬度分布 置进行金相观察，图8a为母材金相组织，从中可以 看出母材组织较为粗大。图8b、图8c分别为熔合线 及焊缝组织，分析发现焊缝组织为细小的树枝晶， 熔合线靠近焊缝一侧为粗大的柱状晶，由热影响区 一侧向焊缝中心伸展，靠近热影响区侧则存在细小 的等轴晶，原因是靠近热影响区侧母材与填充材料 成分不同，熔化过程中发生冶金反应，化学成分发 生改变，过冷度更大，形核质点增加，形核速度更 快，晶粒更为细小。
镁合金微观组织及力学性能的影响[J].材料导报， 2018，32（4）：1289-1293. [2] 汪健坤，李强，黄磊，等.激光焊接技术最新研究 进展及应用现状[J].金属加工（热加工），2020 （3）：4-10. [3] 郑文健.铝合金T型接头双束激光双侧同步焊接的数 值模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011. [4] 冯杰才，陈东高，谭兵，等.AZ31激光-MIG复合热 源焊接参数对焊缝形貌的影响[J].兵器材料科学与工 程，2009，32（2）：100-103. [5] 毛建伟.原位钛基复合材料的焊接工艺与机理研究 [D].上海：上海交通大学，2014. [6] 王军.铝合金光纤激光及其复合焊接的等离子体行为 与工艺研究[D].武汉：华中科技大学，2012. [7] 王书华，杜永勤，杨小艳.S31803双相不锈钢对接接 头焊接工艺参数研究[J].石油和化工设备，2014， 17（5）：38-40. [8] 孙四全，王立君.镁合金焊接接头力学性能的研究现 状[J].机械工程材料，2005，29（10）：1-2. [9] 王慧.304不锈钢激光焊接接头形貌与组织性能研究 [D].武汉：武汉理工大学，2015.
a）拉伸试样
c）入射角90°焊缝外观
d）入射角90°焊缝截面形貌
e）入射角120°焊缝外观
f）入射角120°焊缝截面形貌
图5 不同激光入射角焊缝外观及截面形貌
3.2 拉伸性能分析 当激光功率为4.0kW、送丝速度为3.5m/min、
焊接入射角为90°时，焊缝成形良好，对焊接接 头进行力学性能试验。根据GB/T 2651—2008《焊
3 试验结果与分析
3.1 焊缝成形情况 激光填丝焊接过程中涉及的主要焊接参数有离
焦量、焊接速度、送丝速度与激光功率等。本试验 过程中离焦量为0、焊接速度为3m/min等参数保持 不变，研究了激光功率、送丝速度、激光入射角度 对焊缝成形的影响[3]。
（1）激光功率对焊缝成形的影响 随着激光 功率的变化，焊缝熔深、熔宽及余高发生了明显变 化，图2所示为不同激光功率焊接下的焊缝外观及截 面形貌[4]，激光入射角90°，送丝速度3.5m/m i n。 从焊缝外观及截面形貌可知，当激光功率由4kW增 加到5.5kW时，焊缝余高逐渐减小，熔深增加，背 部熔透增大，熔宽增大。当激光功率过大时将引起 焊缝塌陷[5]。激光功率的增加直接加大了焊接热输 入，适当的焊接热输入可以使填充金属与熔池铺展
2 试验材料及方法
试验母材为6061铝合金型材，T6态，型材截面 如图1a所示，试板尺寸为300mm×150mm×2mm。 填充材料为E R4047焊丝、φ 1.2m m。保护气体 为Ar，纯度＞99.99%，母材和焊丝化学成分见 表1，母材平均抗拉强度为312MPa，屈服强度为 276.5MPa，断后伸长率为11.34%。
a）型材截面
b）焊接过程 图1 型材截面及焊接过程
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表1 6061铝合金和ER4047焊丝 化学成分（质量分数）
（%）
材料 Si Mg Fe Cu Mn Cr Ti Zn Al 6061 0.62 0.92 0.20 0.22 0.08 0.28 0.10 0.15 余量 ER4047 11.70 0.01 0.18 0.01 0.01 — — 0.01 余量
接接头拉伸试验方法》进行拉伸试样的制备，焊后 使用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机对焊接 接头进行横向拉伸破坏性试验，结果见表2。拉伸 断裂试样如图6所示，焊接接头的平均抗拉强度为 276M P a，试样断裂位置为焊接接头的热影响区[7]， 焊接接头的抗拉强度达到母材抗拉强度的88%[8]。
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图4 激光束不同入射角度焊接
吸收了更多能量，焊接接头实现单面焊双面成形相 对困难，立筋熔深更大，同时激光功率过大将导致 立筋处焊穿（见图5f）。当激光入射角为90°时焊 缝成形较好（见图5d），实现了单面焊双面成形。
a）送丝速度3.5m/min焊缝外观 b）送丝速度3.5m/min焊缝截面形貌
c）送丝速度4.5m/min焊缝外观 d）送丝速度4.5m/min焊缝截面形貌
a）激光功率4.0kW焊缝外观 b）激光功率4.0kW焊缝截面形貌
c）激光功率4.5kW焊缝外观 d）激光功率4.5kW焊缝截面形貌
e）激光功率5.0kW焊缝外观 f）激光功率5.0kW焊缝截面形貌 图2 不同激光功率焊缝外观及截面形貌
开，增加了熔宽及熔深，减小了焊缝余高，因此合 适的激光功率将会得到优质的焊接接头。
（2）送丝速度对焊缝成形的影响 图3为不同 送丝速度下焊缝外观及截面形貌[6]，送丝速度分 别为3.5m/min、4.5m/min、5.5m/min，激光功率 3.5kW，激光入射角90°。从图3中明显可以看出， 当送丝速度增加时焊缝熔深减小，当焊接接头处在 熔透的临界状态时送丝速度的增加将导致接头熔深 减小，原因是冷丝的加入需要熔化的热量大于吸收 的热量，熔池单位体积热量减少，将会引起焊缝未 熔透，不能实现单面焊双面成形。
b）断裂位置 图6 焊接接头拉伸断裂试样
3.3 接头硬度 使用FV-810 型维氏显微硬度计沿焊接接头中心
进行硬度测试，测试点间距0.5mm，测试点从母材 一侧经过热影响区、焊缝区至焊缝另一侧母材[9]。 对焊接接头进行硬度分析发现，焊接接头硬度最低 处出现在接头热影响区，硬度值为68.2HV，热影响 区硬度在68~95HV之间，这与拉伸断裂位置一致， 说明热影响区存在软化，从硬度分布（见图7）可以 发现，单侧热影响区宽度为4~5mm。 3.4 焊接接头金相组织
抗拉强度达到276MPa，达到母材抗拉强度的88%。 3）从金相组织可以看出ห้องสมุดไป่ตู้母材组织较为粗大，
焊缝组织为细小的树枝晶，熔合线靠近母材一侧为
粗大的柱状树枝晶，靠近热影响区存在细小的等轴
晶。
4）焊接接头硬度最低处出现在接头热影响区， 硬度值为68.2HV，单侧热影响区宽度为4~5mm。 参考文献： [1] 俞良良，张郑，王快社，等.搅拌摩擦加工对AZ31
20201224
24 2021年 第3期
热加工
1 序言
铝合金因其密度低、比强度高、焊接性能良好 及回收利用率高等优点被广泛应用于航空航天、轨 道车辆、汽车制造等领域[1]，但是在TIG、MIG焊接 铝合金过程中会产生较大的焊接变形和接头软化问 题，大大降低了焊接结构的精度及质量。激光焊接 与传统TIG、MIG焊相比能量更为集中，具有更低 的热输入及变形，因此铝合金激光焊接受到广泛关 注。激光填丝焊是在激光焊基础上发展而来的，其 优点是对装配间隙容忍度更高，同时可以改善焊缝 的合金成分，提高焊接质量[2]。本文针对1.5m m厚 6061铝合金型材进行激光填丝焊，研究了焊接参数 对焊缝质量的影响，并对接头进行了拉伸、硬度测 试，分析了接头不同位置的微观组织。
焊接与切割
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6061铝合金型材激光填丝焊工艺研究
周金旭，贾永强，李强，张威，林相远 辽宁忠旺集团有限公司 辽宁阳 111003
摘要：针对车用1.5mm厚6061铝合金型材进行了激光填丝焊试验，研究了激光功率、送丝速度、激光入射角度 对焊缝成形的影响，并对焊接接头的力学性能、显微硬度及不同位置的微观组织进行了分析。结果表明：在 合理的焊接工艺下焊缝表面成形良好，实现了单面焊双面成形。激光功率过大将引起焊缝塌陷；激光功率过 小、送丝速度过大，将导致焊缝未焊透和余高过高；激光入射角度对型材焊接熔深具有一定影响。对接头进 行拉伸试验，接头强度达到母材实际强度的88%，接头断裂位置为热影响区，通过光学显微镜对接头组织进行 观察，焊缝组织为细小的树枝晶。 关键词：激光填丝焊；焊接工艺；微观组织；力学性能
表2 拉伸试验结果
编号
屈服强度 断后伸长率 抗拉强度
/MPa
（%）
/MPa
平均抗拉 强度/MPa
断裂位置
4-1 226
3.00
279
热影响区
4-2 223
3.12
276
热影响区
276
4-3 220
3.44
274
热影响区
4-4 227
2.88
275
热影响区
a）入射角60°焊缝外观 b）入射角60°焊缝截面形貌