一种激光粉末床熔融成形AlSi10Mg合金/6061铝合金激光焊接方法

本发明属于异种铝合金激光焊接领域，具体涉及一种激光粉末床熔融(lpbf)成形alsi10mg合金/6061铝合金激光焊接新方法。

背景技术：

1、增材制造(additive manufacturing，am)技术的出现解决了铝合金复杂构件制造困难的问题，增材制造铝合金作为结构件的应用更加广泛。其中，激光粉末床熔融技术(laser powder bed fusion，lpbf)是激光增材制造技术的一种，通过激光熔化粉末来达到直接成形复杂构件的目的。相较于传统加工工艺，lpbf成形技术可以有效减少传统制造工艺中焊缝和零部件数量，实现高可靠、集约化和轻量化制造。

2、alsi10mg合金具有优良的流动性、抗热裂性及焊接性等优异的性能，因此在lpbf成形领域有着广泛的应用。lpbf成形alsi10mg合金因其性能远超铸造alsi10mg合金，已在航空航天领域有所应用。

3、然而，在lpbf成形过程中，受到设备成型腔尺寸的限制，商业化制造的工件尺寸较小，使lpbf成形alsi10mg合金难以满足工业应用。另一方面，采用lpbf技术直接制造大型金属构件，设备以及时间成本投入很高，经济性降低，且在工业生产中存在着在同一构件中，不同部位有不同的性能要求，在某些部位需要复杂精密的lpbf成形构件，而其他部位6061铝合金就可以满足性能需求，此时，需通过焊接将二者结合，以满足工业上对大尺寸零件的使用需求。

4、6061铝合金具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点，在航空航天领域大面积应用。因此，lpbf成形alsi10mg合金/6061铝合金焊接结构不可避免。

5、目前关于lpbf成形alsi10mg合金/6061铝合金的异种铝合金焊接并未发现相关研究报道，作者采用激光自熔焊接方法将lpbf成形alsi10mg合金/6061铝合金进行连接时发现，焊接接头存在大量气孔，且尺寸较大，严重破坏焊接接头金属的均匀性，影响接头质量。且因此，lpbf成形alsi10mg合金/6061铝合金焊接时焊缝产生大量氢气孔的难题亟待解决。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明采用首先将待焊工件经过焊前机械打磨+化学清洗+真空干燥处理，并采用热输入更小的多层多道激光焊接方式，可以获得气孔尺寸更小，气孔率更低，力学性能显著提高的异种铝合金激光焊接头，实现了lpbf成形alsi10mg合金/6061铝合金的异种铝合金高质量连接。本发明创新点在于首创性的将多层多道的激光焊接技术应用于lpbf成形alsi10mg合金/6061铝合金焊接。

2、为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

3、一种lpbf成形alsi10mg合金/6061铝合金激光焊接方法，包括以下步骤：

4、(1)将待焊lpbf成形alsi10mg合金与6061铝合金母材在对接处开坡口；

5、(2)将开设坡口后的母材，采用机械打磨+化学清洗方法对待焊母材清洗；

6、(3)将清洗后的待焊母材放入真空干燥箱干燥；

7、(4)将干燥后的待焊材料固定在焊装夹具上，并通以保护气；

8、(5)启动光纤激光器，采用同轴送粉方式将金属粉末添加入焊缝，采用多层多道激光焊接工艺逐层焊接待焊材料。

9、优选的，步骤(1)中所述坡口为形式为alsi10mg合金/6061铝合金之间形成“v”型坡口，单边角度为10°～40°。

10、优选的，步骤(2)中所述的机械打磨采用400～600目砂纸，将待焊件坡口打磨出金属光泽。

11、优选的，步骤(2)中所述的化学清洗采用8～10％(质量百分比)的氢氧化钠溶液在60℃下清洗6～8min，再用35～45％(体积分数)的硝酸溶液在室温下清洗4～6min，并使用丙酮进行冲洗。

12、优选的，步骤(3)中所述的真空干燥在50～80℃下干燥0.5～2h，完成清理到焊接开始的时间务必不得大于4小时，超过4小时需要重复两种待焊母材表面的清理过程。

13、优选的，步骤(4)中所述的保护气为纯度99.99％的氩气，气体流量控制在15-20l/min。

14、优选的，步骤(5)中所述的填充金属粉末为气雾化制备alsi10mg-er-zr粉末，粒径30-60μm，其中，各元素质量分数所占比例为si10.00％-10.20％、mg0.35％-0.45％、fe0.10-0.15％、ti0.10-0.15％、er0.50％-0.70％、zr0.30％-0.50％、其余为al。

15、优选的，步骤(5)中所述的焊接过程中激光束与竖直方向夹角6°-8°。

16、优选的，步骤(5)中所述的多层多道激光焊接工艺参数为：第一道对应第一层为打底焊，对应的参数：激光功率1000-1500w，光斑直径1.0-1.5mm，焊接速度0.4-0.8m/min，送粉量0.5-1.0g/min；第二道对应第二层，第三道对应第三层，第4-6到对应第三层(即自下而上依次为第一层第二层第三层，第三层为3道并列形式)，第2道-第6道对应的参数：激光功率1300-1800w，光斑直径1.5-2.1mm，焊接速度0.4-0.8m/min，送粉量2.0-2.5g/min；进一步优选第一道的激光功率、光斑直径、焊接速度、送粉量均小于第2道-第6道对应的激光功率、光斑直径、送粉量。

17、本发明能够获得较低的气孔率以及较高的力学性能的原因在于，本发明采用的多层多道激光焊接技术是一种以激光束为热源，将金属粉末在待焊母材间熔化，使用较小的热输入逐层堆积填满坡口，完成焊接。由于lpbf成形alsi10mg铝合金材料含氢量是铸态alsi10mg铝合金的7倍，因此在焊接过程中控制lpbf成形alsi10mg铝合金母材中的氢熔入焊接熔池是降低焊缝氢气孔的根本，本发明采用的多层多道激光焊接工艺,采用多层多道逐层累加的方式，通过降低每道焊接过程激光功率，减小热输入，从而减小了母材熔化量，降低了母材中氢气进入熔池，使得本发明能够有效降低焊缝气孔率。另一方面由于本发明采用多层多道激光焊接，每道焊接过程中熔池均小于采用单层单道激光焊接，所以熔池内氢气溢出所需时间缩短，从而使得有更多的氢气可以从熔池中溢出，达到降低气孔率的目的。在力学性能方面：一是填充粉末中的稀土元素(er、zr)，能够在焊缝中形成的al3(er,zr)颗粒，可以作为异质形核点，提高成核速率，并最终减小晶粒尺寸，并降低了枝晶间距，使焊缝组织细化，使得力学性能提升；二本发明采用较小的热输入使得熔池冷却速度更快，使得焊缝组织中晶粒尺寸减小；三由于焊缝中气孔率降低，使得焊缝中缺陷减少，亦使得接头力学性能有所升高。

18、本发明提供的一种lpbf成形alsi10mg合金/60616铝合金激光焊接新方法，具备以下有益效果：

19、(1)本发明采用多层多道激光焊接方法，通过进一步优化工艺参数,减小热输入，控制降低母材含氢量较高的母材熔化量,降低了焊缝气孔率。

20、(2)本发明所填充的含有稀土元素的粉末，在焊接过程中形成的al3(er,zr)颗粒，可以作为异质形核点，提高成核速率，并最终减小晶粒尺寸，并降低了枝晶间距，使焊缝组织细化，使得接头的硬度和拉伸强度提升,延伸率增大，减小接头软化的程度。

21、因此本发明提出的激光沉积熔化焊接方法有望解决lpbf成形alsi10mg合金/6061铝合金的异种铝合金焊接问题，推动lpbf成形铝合金构件在工业生产中的广泛应用。