为解决6061铝合金激光焊接吸收率低以及焊接表面塌陷等问题，本文的研究团队采用了先将粉末添加到焊缝表面做激光熔覆的方法。此研究显示了激光熔覆粉末类型对6061铝合金的微结构和硬度的影响。结果表明，单一铝粉、硅粉和镍粉的激光熔覆均能提高铝合金激光焊接时的激光吸收率，但每种材料都有特定的局限性，比如强相数量的减少，产生其他相和不均匀相等问题。

采用两种粉末混合，比如铝硅和铝镍，可以在一定程度上克服这些限制。如果采用三种粉末混合进行激光熔覆，焊接效果会比采用两种粉末混合或单一粉末更好。通过极值点配制，确定了铝硅镍粉末的最佳配比为0.73:0.185:0.078。这样的配比令焊接微结构均匀、无分层。力学性能测试表明，激光熔覆粉末后的硬度优于未熔覆粉末的硬度，焊缝的抗拉强度为基体材料的83%。

表1：6061铝合金的化学成分（重量百分比）

一、介绍
6061铝合金是一种典型的中等强度铝合金。由于优良的焊接性能和耐腐蚀性能，6061铝合金被广泛应用于许多轻量结构件的生产中，比如高速列车、汽车和飞机。

与常规焊接相比，铝合金激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接变形程度低等优点。然而，由于铝合金对激光束的低吸收率、高导热性、高流动性以及对氧的高化学反应性，这种焊接方法会受到孔隙率和表面塌陷的限制。

图2：无激光熔覆粉末的激光焊缝（a）和有激光熔覆粉末的激
光焊缝（b）的对比图

图3：单一粉末激光熔覆（a）表面加铝粉；（b）背面加铝粉；
（c）表面加硅粉；（d）背面加硅粉；（e）表面加镍粉；（f）
背面加镍粉

为解决铝合金激光焊接中低吸收率的问题，研究人员做了添加填料粉末做CO2激光焊接铝合金的试验。试验结果表明，金属粉末的加入提高了能量耦合效率，降低了激光深焊接过程中的功率密度阈值，因为在电离激光的作用下粉末材料更容易蒸发。

数据表明，填充粉末后，激光深熔焊功率阈值降低了50%左右。研究人员利用金属粉末对不同厚度的5A02铝合金板进行CO2激光焊接，发现添加金属粉末能提高能量耦合效率，改善焊缝外观和工艺稳定性。

研究人员采用YLS-4000-CL光纤激光器焊接双相钢和铝合金，研究了添加金属粉末对激光熔透焊接接头性能的影响。结果表明，添加锰或硅粉可以避免焊接接头的热影响区出现飞溅、夹杂、裂纹和软化等缺陷。研究人员对添加稀土粉和不添加稀土粉的1mm 6061铝合金激光焊接接头的微结构和力学性能进行了研究，发现稀土粉焊缝的平均显微硬度为基体材料硬度的83.1%。

在上述研究中，采用了两种添加粉末的方法。第一种是将粉末和溶剂混合，然后将混合物涂覆在焊缝表面。这种方法很简单，但添加松散粉末时会受到焊接池的保护氩气以及激光聚焦透镜保护气体的干扰。焊缝中的粉末很容易被强气流吹走。

另一种方法是在激光焊接过程中，通过同轴进给系统在焊缝上同步喷粉。这种方法提高了粉末与焊件之间的结合强度，因为大部分粉末在到达焊接池之前就熔化了。但它有两个缺点：第一，送粉方向必须相对焊接方向存在一定的角度，否则就有部分粉末无法进入焊接池；第二，粉末仍然有可能被激光聚焦透镜保护空气的强气流吹走。

为了克服上述两种添加粉末法的局限性，研究团队采用了激光熔覆粉末技术。激光熔覆是一种在金属基体上沉积粉末的方法，常用于改善焊接材料的力学性能或提高其耐腐蚀性能。激光焊接前，采用激光熔覆将粉末沉积在焊缝上。这种方法可以大大减少激光聚焦透镜保护气体吹走粉末的可能性。本研究对三种粉末进行了激光熔覆试验。

二、试验材料与方法
研究人员选用的基体材料是初始T6条件下的6061铝合金，厚度是3mm。材料被切成150mm×100mm×3mm的几块。基体金属的详细化学成分如表1所示。

◆ 平衡
激光熔覆基板前的表面准备工作，包括去除表面氧化物的抛光以及化学清洗。化学清洗步骤如下：在10%氢氧化钠溶液中浸泡30分钟，用清水洗净即可，然后浸泡在30%的硝酸溶液里中和，清洁10分钟，用水再冲洗2-3分钟，用丙酮擦拭，用吹风机的冷气吹干，然后密封保存。

试验所用的铝、硅、镍粉末粒径在40μm - 160μm之间。将焊接后的样品切割、安装、抛光，用Keller溶液（190ml H2O + 4ml HF + 10ml HNO3 + 6ml HCl）腐蚀15秒。采用Olympus GX 51光学显微镜对生成焊缝的微结构进行分析。采用HVS-1000数显显微硬度计测定焊珠横截面的显微维氏硬度。在MTS - 810电控测试系统上测试焊接试样的拉伸性能。

采用流速分别为10L/min和20L/min的纯氩气（99.999%）作为保护气体，进行激光焊接和激光熔覆。试验使用的激光器件是最高功率为4kW光纤激光器（IPG，YLR-4000），波长1070nm。

用于激光熔覆的激光束由一个直径0.6mm光纤从振荡器中引导出来，经过f=125mm准直透镜和f=250mm冷凝透镜照射到试样上。焦点处光斑大小为1.2mm。用于激光焊接的激光束也由一个直径0.2mm光纤从振荡器中引导出来，经过一个f=143mm准直透镜，再经过一个f=300mm冷凝透镜，照射到测试样品上。焦点处光斑大小为0.42mm。

为了防止光反馈，焊接用激光器的入射角度为6°。焊接时分别从直径为8mm和16mm的侧喷嘴输送15L/min和50L/min的氩气作为保护气体。焊接时，采用压缩空气作交叉喷射，防止飞溅物粘附到聚焦光学系统上。采用三相摇摆式混合机将粉末混合。

三、试验流程
激光粉末熔覆原理如图1所示：将两块焊接好的铝板固定在工作平台上，无间隙，紧密接触。熔覆层宽度设置为2mm，高度设置为0.6mm，通过改变激光功率、熔覆速度、保护气体流量及载气流量来实现。三种粉末激光熔覆参数一致：激光功率1100W，熔覆速度4mm/s，保护气体流量12.5L/min，载气流量4L/min。

在诸多潜在的合金元素中，硅和镍是铝合金中最常用的两种元素。硅可以在铝中溶解，形成过饱和的固溶体，从而实现固溶强化。镍与铝生成二元相，形成一种更坚韧、更具延展性的材料，能增强铝基材料的强度。虽然钛也是一种增强铝合金硬度的有效元素，但它容易氧化，还会吸附气体，不适合做填充。

既然基体材料以铝为主，所以研究团队选择铝、硅、镍三种元素作为激光熔覆的初始粉末。它们的粉体直径在40μm-160μm之间，具有良好的流动性。太细的粉末容易结块，容易粘附进送粉管的内壁，影响进粉质量，而太粗的粉末又不容易被激光熔化。

针对单一粉末、两种粉末混合、三种粉末混合，研究团队进行了大量试验。三种粉末的比例是未知的。需要调配铝、硅、镍这三种粉末的混合比例。研究人员将粉末按一定比例配制成粉末混合物后，放入三相摇摆式混合器中，机械搅拌3小时后放入干燥箱中干燥。

表2：三种化学元素粉末的极限顶点配制（重量比）

四、结果与讨论
A.成形特征
单一粉末激光熔覆后激光焊接铝合金板。激光焊接参数为：焊接速度40mm/s，激光功率2700W，氩气流量14L/min。图2（a）显示了非激光熔覆粉末的焊缝截面；图2（b）为激光熔覆粉末的焊缝截面。通过图像对比可以看出，激光焊接铝粉的表面塌陷现象消除了，焊缝补强0.2 mm。

B.单一粉末的作用
粉末激光熔覆会影响焊接冶金过程，添加粉末会改变焊接接头的微结构和性能。不同粉末对焊缝凝固方式的影响不同，不同粉末激光熔覆后的焊缝形貌如图3所示。
激光熔覆铝粉后，焊缝表面光滑，有些许轻微塌陷，焊缝宽度增大。激光熔覆硅粉后，焊缝表面光滑，无凸起，焊缝呈现金属光泽。激光熔覆镍粉后，焊缝表面出现严重的倒切，焊缝颜色呈黑色，说明镍与6061铝合金中的其他元素发生了化学反应。这些焊缝的背面是相似的。

图4：6061 铝合金激光熔覆单一粉末后的微结构（a）铝粉激光
熔覆；（b）硅粉激光熔覆；（c）激光熔覆镍粉

图4是单一粉末激光熔覆后焊接接头的微结构。从图4（a）可以看出，激光熔覆铝粉后焊接接头微结构变化不大，短针状硅晶和白色α固溶体形成了（α + Si）共晶，黑色细架是Mg2Si相。激光熔覆铝粉后，微结构更加均匀，但α固溶体较粗，表明激光熔覆铝粉的强化效果不如铝合金基体。

从图4（b）可以看出，激光熔覆硅粉后的焊接接头微结构出现了分层现象。焊接接头顶部是硅以及硅与铝的反应共晶，硅的密度小于其他元素。焊接接头底部与单独6061铝合金相似，只是增加了短而密集的针状硅相。
从图4（c）可以看出，激光熔覆镍粉后的焊接接头微结构与单独熔覆6061铝合金时的明显不同。焊接微结构主要是枝晶微结构，说明在激光焊接过程中镍粉与基体材料发生了反应，焊接接头微结构出现了明显变化。

表4：试样拉伸试验结果

C.两种元素粉末的作用
上述三种粉末对提高焊缝性能均有一定效果，但各有局限性，比如减少强相、产生了其他相、产生了不均匀相等。在此基础上，以铝为两种元素粉末的主要原料，以基体材料为主，采用三相摇摆式混合机将铝硅粉和铝镍粉混合5小时。根据焊缝表面形貌等初步试验，确定铝硅粉的最佳混合比例为12:1，铝镍粉的最佳混合比例为20:1。图5和图6显示了使用粉末混合物的焊接接头的微结构。

图5（a）和图5（b）为铝硅混合粉末激光熔覆后的微结构。熔合区由大柱状晶组成，焊缝中心是细晶，逐渐向等轴晶转变。

图6（a）和图6（b）是铝镍混合粉末激光熔覆后的焊接接头微结构。晶粒比铝硅粉的细，柱状微结构窄。其低熔点共晶在晶界间的分布比铝硅粉的更均匀。

D.三种元素粉末的作用
采用极限顶点配制法确定三种粉末的最佳配比。假定三种粉末的重量总和为100%。每种单一元素粉末都受到上下边界的约束，即每种成分百分比的变化不可能总是0%-100%，如：

方程式（1）中的X1、X2、X3分别是铝、硅、镍元素的含量。因为铝元素是三种化学元素粉末的基础，鉴于铝硅粉的最佳混合比是12:1，铝镍粉的最佳混合比是20:1，我们将上述三种元素的边界条件设置为铝60%-80%，硅10%-30%，镍5%-10%。

极端顶点配制方法选择（n-2）维边界面的所有顶点的质心，或者其他多面体的所有顶点的质心作为试验点，代表整个试验场域。利用方程式（1），如果将两种化学元素的含量设定上限或下限，就可以确定第三种元素的含量。如果第三种元素的含量到顶了，就能够得到这个三种元素混合粉末的成分。否则，这一试验条件无法实现。根据这一规律，研究团队选择了九个三元素组成结构进行测试，如表二所示。

通过气孔数量、气孔大小及微架构的均匀度，分析不同组焊质量。用最小二乘拟合方法对焊接质量与三元素组成之间的关系进行逆推，从而得出：
利用Minitab软件对方程式（2）进行分析，确定铝硅镍的最佳配比为0.737:0.185:0.078.12。
图6（a）是表2中第9组混合物的微结构。激光熔覆铝硅镍粉末后，焊接微结构均匀，但焊缝上部有少量气孔。图7（b）和图7（c）是铝硅镍粉末在放大200倍和1000倍下激光熔覆后的焊缝。虽然仍能看到铸件的微结构，但其晶粒比铝硅粉细，柱状区微结构比铝硅粉窄，说明镍对焊接微结构的精细化作用显著。

E.显微硬度和拉伸性能
第一行和最后一行焊缝横截面横跨整个焊缝直到金属基材，被选为显微维氏硬度试验的位置，一行2mm间距，测试点间隔0.25mm，测试加载力100g。

图8：（a）铝硅粉末、（b）铝镍粉末、（c）铝硅镍粉末激光熔覆的显微硬度比较

焊接接头的显微硬度如图8所示。从图8（a）可以看出，掺杂硅粉后，Mg2Si强化相的数量增加了，用铝硅粉激光熔覆后的焊缝显微硬度高于未使用激光熔覆粉制备的焊缝显微硬度。此外，焊缝顶部区域由6061铝合金和大块铝硅粉末组成，生成了大量的Mg2Si。焊缝底部是6061铝合金，只有少量的铝硅粉，生成很少的Mg2Si，所以顶部区的显微硬度大于底部区的显微硬度。

从图8（b）可以看出，激光熔覆铝镍粉末的平均显微硬度略高于不熔覆铝镍粉末的显微硬度，因为没有出现更多的Mg2Si强化相。而加入镍后，焊缝微结构被精细化了，焊缝整体硬度略高于未加入激光熔覆的焊缝。
从图8（c）可以看出，激光熔覆铝硅镍粉末的显微硬度大于未熔覆粉末的基体材料，焊缝顶部区和底部区的显微硬度非常相似。这是因为在激光熔覆时掺杂了硅和镍，前者产生Mg2Si强化相，后者将微结构精细化。显微硬度的增加也与微结构有关，如图5至图7所示。

图9：6061铝合金激光熔覆铝硅镍复合粉末的SEM图像

图9为最佳三种元素复合材料的焊接接头SEM图像，验证了强化相数量增加这一结论。为了进一步研究强化相，对强化相进行了（EDS能量色散X射线光谱）测试。分别测试了第1点和第2点锰、硅和铝的重量百分比和原子百分比，见表三。锰硅的重量百分比和原子百分比为2:1。这一结果表明：强化相是Mg2Si。

在MTS810伺服控制测试系统上，对6061铝基材料和铝硅镍粉末激光熔覆后的激光焊接试样进行了拉伸试验。拉伸试验的速度为0.05mm/min，标准距离为50 mm。拉伸试样示意图如图10（a）所示。

图10：（a）拉伸试样示意图；（b）拉伸断裂示意图；（c）焊缝的应力-应变曲线

6061铝合金基体的抗拉强度约为306 MPa，延伸率约为18%，激光熔覆铝硅镍粉后，焊接接头的抗拉强度约为236.62 MPa，延伸率约为6%。直接激光焊接没有激光熔覆粉末的试样后，抗拉强度为212.45 MPa。针对三个拉伸试样测试后绘出的焊接接头的应力-应变曲线，如表4及图10（c）所示。激光熔覆粉末虽能防止表面塌陷，但焊缝的抗拉强度和延伸率均低于基体材料。可能是激光熔覆粉末层中的水分含量和包覆气体，产生了较高的焊缝气孔率。今后的试验必须在真空条件下混合、干燥粉末。

五、结论
用激光熔覆不同粉末对6061铝合金进行激光焊接，主要研究结论如下:
1.激光熔覆粉末可大大减少激光焊接铝合金表面塌陷；
2.激光熔覆铝粉对6061铝合金激光焊接的微结构影响不大。激光熔覆硅粉会产生分层的Mg2Si强化相。激光熔覆镍粉会与6061铝合金发生反应；
3.激光熔覆铝硅和铝镍粉末后的焊接微结构是铸造微结构，但铝镍激光熔覆后的晶粒比铝硅激光熔覆后的晶粒细，柱状区微结构窄；
4.通过极值点配制法确定铝、硅、镍的最佳配比为0.73:0.185:0.078。三种粉末混合激光熔覆后，焊接微结构均匀，无分层，焊缝抗拉强度是基体材料强度的83%。