為解決6061鋁合金激光焊接吸收率低以及焊接表面塌陷等問題，本文的研究團隊采用了先將粉末添加到焊縫表面做激光熔覆的方法。此研究顯示了激光熔覆粉末類型對6061鋁合金的微結構和硬度的影響。結果表明，單一鋁粉、硅粉和鎳粉的激光熔覆均能提高鋁合金激光焊接時的激光吸收率，但每種材料都有特定的局限性，比如強相數量的減少，產生其他相和不均勻相等問題。
采用兩種粉末混合，比如鋁硅和鋁鎳，可以在一定程度上克服這些限制。如果采用三種粉末混合進行激光熔覆，焊接效果會比采用兩種粉末混合或單一粉末更好。通過極值點配制，確定了鋁硅鎳粉末的最佳配比為0.73:0.185:0.078。這樣的配比令焊接微結構均勻、無分層。力學性能測試表明，激光熔覆粉末后的硬度優于未熔覆粉末的硬度，焊縫的抗拉強度為基體材料的83%。
表1：6061鋁合金的化學成分（重量百分比）
一、介紹
6061鋁合金是一種典型的中等強度鋁合金。由于優良的焊接性能和耐腐蝕性能，6061鋁合金被廣泛應用于許多輕量結構件的生產中，比如高速列車、汽車和飛機。
與常規焊接相比，鋁合金激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接變形程度低等優點。然而，由于鋁合金對激光束的低吸收率、高導熱性、高流動性以及對氧的高化學反應性，這種焊接方法會受到孔隙率和表面塌陷的限制。
圖2：無激光熔覆粉末的激光焊縫（a）和有激光熔覆粉末的激
光焊縫（b）的對比圖
圖3：單一粉末激光熔覆（a）表面加鋁粉；（b）背面加鋁粉；
（c）表面加硅粉；（d）背面加硅粉；（e）表面加鎳粉；（f）
背面加鎳粉
為解決鋁合金激光焊接中低吸收率的問題，研究人員做了添加填料粉末做CO2激光焊接鋁合金的試驗。試驗結果表明，金屬粉末的加入提高了能量耦合效率，降低了激光深焊接過程中的功率密度閾值，因為在電離激光的作用下粉末材料更容易蒸發。
數據表明，填充粉末后，激光深熔焊功率閾值降低了50%左右。研究人員利用金屬粉末對不同厚度的5A02鋁合金板進行CO2激光焊接，發現添加金屬粉末能提高能量耦合效率，改善焊縫外觀和工藝穩定性。
研究人員采用YLS-4000-CL光纖激光器焊接雙相鋼和鋁合金，研究了添加金屬粉末對激光熔透焊接接頭性能的影響。結果表明，添加錳或硅粉可以避免焊接接頭的熱影響區出現飛濺、夾雜、裂紋和軟化等缺陷。研究人員對添加稀土粉和不添加稀土粉的1mm 6061鋁合金激光焊接接頭的微結構和力學性能進行了研究，發現稀土粉焊縫的平均顯微硬度為基體材料硬度的83.1%。
在上述研究中，采用了兩種添加粉末的方法。第一種是將粉末和溶劑混合，然后將混合物涂覆在焊縫表面。這種方法很簡單，但添加松散粉末時會受到焊接池的保護氬氣以及激光聚焦透鏡保護氣體的干擾。焊縫中的粉末很容易被強氣流吹走。
另一種方法是在激光焊接過程中，通過同軸進給系統在焊縫上同步噴粉。這種方法提高了粉末與焊件之間的結合強度，因為大部分粉末在到達焊接池之前就熔化了。但它有兩個缺點：第一，送粉方向必須相對焊接方向存在一定的角度，否則就有部分粉末無法進入焊接池；第二，粉末仍然有可能被激光聚焦透鏡保護空氣的強氣流吹走。
為了克服上述兩種添加粉末法的局限性，研究團隊采用了激光熔覆粉末技術。激光熔覆是一種在金屬基體上沉積粉末的方法，常用于改善焊接材料的力學性能或提高其耐腐蝕性能。激光焊接前，采用激光熔覆將粉末沉積在焊縫上。這種方法可以大大減少激光聚焦透鏡保護氣體吹走粉末的可能性。本研究對三種粉末進行了激光熔覆試驗。
二、試驗材料與方法
研究人員選用的基體材料是初始T6條件下的6061鋁合金，厚度是3mm。材料被切成150mm×100mm×3mm的幾塊?；w金屬的詳細化學成分如表1所示。
◆ 平衡
激光熔覆基板前的表面準備工作，包括去除表面氧化物的拋光以及化學清洗?；瘜W清洗步驟如下：在10%氫氧化鈉溶液中浸泡30分鐘，用清水洗凈即可，然后浸泡在30%的硝酸溶液里中和，清潔10分鐘，用水再沖洗2-3分鐘，用丙酮擦拭，用吹風機的冷氣吹干，然后密封保存。
試驗所用的鋁、硅、鎳粉末粒徑在40μm - 160μm之間。將焊接后的樣品切割、安裝、拋光，用Keller溶液（190ml H2O + 4ml HF + 10ml HNO3 + 6ml HCl）腐蝕15秒。采用Olympus GX 51光學顯微鏡對生成焊縫的微結構進行分析。采用HVS-1000數顯顯微硬度計測定焊珠橫截面的顯微維氏硬度。在MTS - 810電控測試系統上測試焊接試樣的拉伸性能。
采用流速分別為10L/min和20L/min的純氬氣（99.999%）作為保護氣體，進行激光焊接和激光熔覆。試驗使用的激光器件是最高功率為4kW光纖激光器（IPG，YLR-4000），波長1070nm。
用于激光熔覆的激光束由一個直徑0.6mm光纖從振蕩器中引導出來，經過f=125mm準直透鏡和f=250mm冷凝透鏡照射到試樣上。焦點處光斑大小為1.2mm。用于激光焊接的激光束也由一個直徑0.2mm光纖從振蕩器中引導出來，經過一個f=143mm準直透鏡，再經過一個f=300mm冷凝透鏡，照射到測試樣品上。焦點處光斑大小為0.42mm。
為了防止光反饋，焊接用激光器的入射角度為6°。焊接時分別從直徑為8mm和16mm的側噴嘴輸送15L/min和50L/min的氬氣作為保護氣體。焊接時，采用壓縮空氣作交叉噴射，防止飛濺物粘附到聚焦光學系統上。采用三相搖擺式混合機將粉末混合。
三、試驗流程
激光粉末熔覆原理如圖1所示：將兩塊焊接好的鋁板固定在工作平臺上，無間隙，緊密接觸。熔覆層寬度設置為2mm，高度設置為0.6mm，通過改變激光功率、熔覆速度、保護氣體流量及載氣流量來實現。三種粉末激光熔覆參數一致：激光功率1100W，熔覆速度4mm/s，保護氣體流量12.5L/min，載氣流量4L/min。
在諸多潛在的合金元素中，硅和鎳是鋁合金中最常用的兩種元素。硅可以在鋁中溶解，形成過飽和的固溶體，從而實現固溶強化。鎳與鋁生成二元相，形成一種更堅韌、更具延展性的材料，能增強鋁基材料的強度。雖然鈦也是一種增強鋁合金硬度的有效元素，但它容易氧化，還會吸附氣體，不適合做填充。
既然基體材料以鋁為主，所以研究團隊選擇鋁、硅、鎳三種元素作為激光熔覆的初始粉末。它們的粉體直徑在40μm-160μm之間，具有良好的流動性。太細的粉末容易結塊，容易粘附進送粉管的內壁，影響進粉質量，而太粗的粉末又不容易被激光熔化。
針對單一粉末、兩種粉末混合、三種粉末混合，研究團隊進行了大量試驗。三種粉末的比例是未知的。需要調配鋁、硅、鎳這三種粉末的混合比例。研究人員將粉末按一定比例配制成粉末混合物后，放入三相搖擺式混合器中，機械攪拌3小時后放入干燥箱中干燥。
表2：三種化學元素粉末的極限頂點配制（重量比）
四、結果與討論
A.成形特征
單一粉末激光熔覆后激光焊接鋁合金板。激光焊接參數為：焊接速度40mm/s，激光功率2700W，氬氣流量14L/min。圖2（a）顯示了非激光熔覆粉末的焊縫截面；圖2（b）為激光熔覆粉末的焊縫截面。通過圖像對比可以看出，激光焊接鋁粉的表面塌陷現象消除了，焊縫補強0.2 mm。
B.單一粉末的作用
粉末激光熔覆會影響焊接冶金過程，添加粉末會改變焊接接頭的微結構和性能。不同粉末對焊縫凝固方式的影響不同，不同粉末激光熔覆后的焊縫形貌如圖3所示。
激光熔覆鋁粉后，焊縫表面光滑，有些許輕微塌陷，焊縫寬度增大。激光熔覆硅粉后，焊縫表面光滑，無凸起，焊縫呈現金屬光澤。激光熔覆鎳粉后，焊縫表面出現嚴重的倒切，焊縫顏色呈黑色，說明鎳與6061鋁合金中的其他元素發生了化學反應。這些焊縫的背面是相似的。
圖4：6061 鋁合金激光熔覆單一粉末后的微結構（a）鋁粉激光
熔覆；（b）硅粉激光熔覆；（c）激光熔覆鎳粉
圖4是單一粉末激光熔覆后焊接接頭的微結構。從圖4（a）可以看出，激光熔覆鋁粉后焊接接頭微結構變化不大，短針狀硅晶和白色α固溶體形成了（α + Si）共晶，黑色細架是Mg2Si相。激光熔覆鋁粉后，微結構更加均勻，但α固溶體較粗，表明激光熔覆鋁粉的強化效果不如鋁合金基體。
從圖4（b）可以看出，激光熔覆硅粉后的焊接接頭微結構出現了分層現象。焊接接頭頂部是硅以及硅與鋁的反應共晶，硅的密度小于其他元素。焊接接頭底部與單獨6061鋁合金相似，只是增加了短而密集的針狀硅相。
從圖4（c）可以看出，激光熔覆鎳粉后的焊接接頭微結構與單獨熔覆6061鋁合金時的明顯不同。焊接微結構主要是枝晶微結構，說明在激光焊接過程中鎳粉與基體材料發生了反應，焊接接頭微結構出現了明顯變化。
表4：試樣拉伸試驗結果
C.兩種元素粉末的作用
上述三種粉末對提高焊縫性能均有一定效果，但各有局限性，比如減少強相、產生了其他相、產生了不均勻相等。在此基礎上，以鋁為兩種元素粉末的主要原料，以基體材料為主，采用三相搖擺式混合機將鋁硅粉和鋁鎳粉混合5小時。根據焊縫表面形貌等初步試驗，確定鋁硅粉的最佳混合比例為12:1，鋁鎳粉的最佳混合比例為20:1。圖5和圖6顯示了使用粉末混合物的焊接接頭的微結構。
圖5（a）和圖5（b）為鋁硅混合粉末激光熔覆后的微結構。熔合區由大柱狀晶組成，焊縫中心是細晶，逐漸向等軸晶轉變。
圖6（a）和圖6（b）是鋁鎳混合粉末激光熔覆后的焊接接頭微結構。晶粒比鋁硅粉的細，柱狀微結構窄。其低熔點共晶在晶界間的分布比鋁硅粉的更均勻。
D.三種元素粉末的作用
采用極限頂點配制法確定三種粉末的最佳配比。假定三種粉末的重量總和為100%。每種單一元素粉末都受到上下邊界的約束，即每種成分百分比的變化不可能總是0%-100%，如：
方程式（1）中的X1、X2、X3分別是鋁、硅、鎳元素的含量。因為鋁元素是三種化學元素粉末的基礎，鑒于鋁硅粉的最佳混合比是12:1，鋁鎳粉的最佳混合比是20:1，我們將上述三種元素的邊界條件設置為鋁60%-80%，硅10%-30%，鎳5%-10%。
極端頂點配制方法選擇（n-2）維邊界面的所有頂點的質心，或者其他多面體的所有頂點的質心作為試驗點，代表整個試驗場域。利用方程式（1），如果將兩種化學元素的含量設定上限或下限，就可以確定第三種元素的含量。如果第三種元素的含量到頂了，就能夠得到這個三種元素混合粉末的成分。否則，這一試驗條件無法實現。根據這一規律，研究團隊選擇了九個三元素組成結構進行測試，如表二所示。
通過氣孔數量、氣孔大小及微架構的均勻度，分析不同組焊質量。用最小二乘擬合方法對焊接質量與三元素組成之間的關系進行逆推，從而得出：
利用Minitab軟件對方程式（2）進行分析，確定鋁硅鎳的最佳配比為0.737:0.185:0.078.12。
圖6（a）是表2中第9組混合物的微結構。激光熔覆鋁硅鎳粉末后，焊接微結構均勻，但焊縫上部有少量氣孔。圖7（b）和圖7（c）是鋁硅鎳粉末在放大200倍和1000倍下激光熔覆后的焊縫。雖然仍能看到鑄件的微結構，但其晶粒比鋁硅粉細，柱狀區微結構比鋁硅粉窄，說明鎳對焊接微結構的精細化作用顯著。
E.顯微硬度和拉伸性能
第一行和最后一行焊縫橫截面橫跨整個焊縫直到金屬基材，被選為顯微維氏硬度試驗的位置，一行2mm間距，測試點間隔0.25mm，測試加載力100g。
圖8：（a）鋁硅粉末、（b）鋁鎳粉末、（c）鋁硅鎳粉末激光熔覆的顯微硬度比較
焊接接頭的顯微硬度如圖8所示。從圖8（a）可以看出，摻雜硅粉后，Mg2Si強化相的數量增加了，用鋁硅粉激光熔覆后的焊縫顯微硬度高于未使用激光熔覆粉制備的焊縫顯微硬度。此外，焊縫頂部區域由6061鋁合金和大塊鋁硅粉末組成，生成了大量的Mg2Si。焊縫底部是6061鋁合金，只有少量的鋁硅粉，生成很少的Mg2Si，所以頂部區的顯微硬度大于底部區的顯微硬度。
從圖8（b）可以看出，激光熔覆鋁鎳粉末的平均顯微硬度略高于不熔覆鋁鎳粉末的顯微硬度，因為沒有出現更多的Mg2Si強化相。而加入鎳后，焊縫微結構被精細化了，焊縫整體硬度略高于未加入激光熔覆的焊縫。
從圖8（c）可以看出，激光熔覆鋁硅鎳粉末的顯微硬度大于未熔覆粉末的基體材料，焊縫頂部區和底部區的顯微硬度非常相似。這是因為在激光熔覆時摻雜了硅和鎳，前者產生Mg2Si強化相，后者將微結構精細化。顯微硬度的增加也與微結構有關，如圖5至圖7所示。
圖9：6061鋁合金激光熔覆鋁硅鎳復合粉末的SEM圖像
圖9為最佳三種元素復合材料的焊接接頭SEM圖像，驗證了強化相數量增加這一結論。為了進一步研究強化相，對強化相進行了（EDS能量色散X射線光譜）測試。分別測試了第1點和第2點錳、硅和鋁的重量百分比和原子百分比，見表三。錳硅的重量百分比和原子百分比為2:1。這一結果表明：強化相是Mg2Si。
在MTS810伺服控制測試系統上，對6061鋁基材料和鋁硅鎳粉末激光熔覆后的激光焊接試樣進行了拉伸試驗。拉伸試驗的速度為0.05mm/min，標準距離為50 mm。拉伸試樣示意圖如圖10（a）所示。
圖10：（a）拉伸試樣示意圖；（b）拉伸斷裂示意圖；（c）焊縫的應力-應變曲線
6061鋁合金基體的抗拉強度約為306 MPa，延伸率約為18%，激光熔覆鋁硅鎳粉后，焊接接頭的抗拉強度約為236.62 MPa，延伸率約為6%。直接激光焊接沒有激光熔覆粉末的試樣后，抗拉強度為212.45 MPa。針對三個拉伸試樣測試后繪出的焊接接頭的應力-應變曲線，如表4及圖10（c）所示。激光熔覆粉末雖能防止表面塌陷，但焊縫的抗拉強度和延伸率均低于基體材料。可能是激光熔覆粉末層中的水分含量和包覆氣體，產生了較高的焊縫氣孔率。今后的試驗必須在真空條件下混合、干燥粉末。
五、結論
用激光熔覆不同粉末對6061鋁合金進行激光焊接，主要研究結論如下:
1.激光熔覆粉末可大大減少激光焊接鋁合金表面塌陷；
2.激光熔覆鋁粉對6061鋁合金激光焊接的微結構影響不大。激光熔覆硅粉會產生分層的Mg2Si強化相。激光熔覆鎳粉會與6061鋁合金發生反應；
3.激光熔覆鋁硅和鋁鎳粉末后的焊接微結構是鑄造微結構，但鋁鎳激光熔覆后的晶粒比鋁硅激光熔覆后的晶粒細，柱狀區微結構窄；
4.通過極值點配制法確定鋁、硅、鎳的最佳配比為0.73:0.185:0.078。三種粉末混合激光熔覆后，焊接微結構均勻，無分層，焊縫抗拉強度是基體材料強度的83%。
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