激光焊接5083/6016異種鋁合金光譜信號(hào)與焊件質(zhì)量的關(guān)系*

周惦武，李 升，張 紅

(湖南大學(xué) 汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

激光焊接5083/6016異種鋁合金光譜信號(hào)與焊件質(zhì)量的關(guān)系*

周惦武?，李 升，張 紅

(湖南大學(xué) 汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

采用光纖激光器對(duì)1.0 mm厚5083和1.2 mm厚6016異種鋁合金平板試件進(jìn)行激光搭接焊試驗(yàn)，利用光譜測(cè)量系統(tǒng)、掃描電鏡、維氏顯微硬度儀和微機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等手段，檢測(cè)激光焊接過(guò)程等離子體產(chǎn)生時(shí)輻射出的時(shí)域 MgI光譜信號(hào)，分析焊縫形貌、顯微硬度和力學(xué)性能，研究等離子體中 MgI光譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與焊件質(zhì)量之間關(guān)系.結(jié)果表明，隨著掃描速度增加，MgI光譜信號(hào)強(qiáng)度降低，離焦量對(duì) MgI光譜信號(hào)作用明顯，而激光功率對(duì) MgI信號(hào)整體幅度改變較??；MgI光譜強(qiáng)度較小或較大，試件出現(xiàn)焊不透或焊穿現(xiàn)象；MgI等離子體信號(hào)波動(dòng)較大處，出現(xiàn)咬邊、凹陷、氣孔等缺陷，力學(xué)性能低；而MgI等離子體信號(hào)平穩(wěn)時(shí)，焊縫平整，缺陷少，力學(xué)性能好.基于 MgI光譜信號(hào)與焊件質(zhì)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用Hugh hart的統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)理論，建立了焊接過(guò)程單值 -移動(dòng)極差控制(X-Rs)圖.

激光焊接；異種鋁合金；等離子體信號(hào)；焊件質(zhì)量

Key words：laser welding；dissimilar aluminum alloy；plasma signal；weld quality

輕量化成為汽車(chē)減排的重要舉措，而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)減重，大量使用異種鋁合金等輕質(zhì)材料起著至關(guān)重要的作用.與常規(guī)熔焊相比，激光焊用激光束作焊接熱源，具有能量密度高、熱量集中、熱源易準(zhǔn)確控制、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接變形小以及高效高自動(dòng)化等諸多優(yōu)點(diǎn)，是異種鋁合金理想的焊接方法，但由于焊接過(guò)程存在多變量和較多的不確定因素，而焊后離線檢查費(fèi)時(shí)費(fèi)力、靈活性差，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程光、聲、電等特征信息，建立特征信息與焊件質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化焊接參數(shù)，以控制焊件缺陷生成，成為異種鋁合金激光焊研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)［1-3］.Sibillano等［4］以等離子體的光譜特性為依據(jù)，探討了焊接過(guò)程電子溫度與焊縫熔深之間的關(guān)系.Palanco等［5］研究了鋁合金焊接過(guò)程產(chǎn)生的Zn，Mn發(fā)射譜線與焊件質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系.張宏圭等［6］研究了同種5系列鋁合金激光焊接鎂元素的燒損與焊件性能的內(nèi)在規(guī)律.洪蕾等［7］則發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程穩(wěn)定時(shí)，等離子體光信號(hào)在某一穩(wěn)定幅值上進(jìn)行小幅度波動(dòng)，而焊接質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，等離子體光信號(hào)的幅值大小發(fā)生明顯改變.為建立焊接過(guò)程等離子特征信息與焊件質(zhì)量之間關(guān)系，實(shí)時(shí)調(diào)整控制焊件缺陷產(chǎn)生，并為異種鋁合金激光焊接的推廣應(yīng)用提供重要理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)，本文以車(chē)用5083/ 6016異種鋁合金為研究對(duì)象，采用光纖激光器對(duì)其平板試件進(jìn)行激光搭接焊試驗(yàn)，利用光譜測(cè)量系統(tǒng)、掃描電鏡、維氏顯微硬度儀、微機(jī)控制的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等手段，檢測(cè)了異種鋁合金激光焊接等離子體產(chǎn)生時(shí)輻射出的時(shí)域MgI光譜，分析了焊縫形貌、顯微硬度和力學(xué)性能，研究了等離子體MgI光譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與工藝參數(shù)、焊接質(zhì)量性能之間的關(guān)系，并基于MgI光譜信號(hào)與焊件質(zhì)量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制的X-Rs圖.

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料與方法

采用YLS-4000-CL型二極管泵浦單模光纖激光器作為焊接熱源，焊接頭由焦距為150 mm準(zhǔn)直鏡和焦距為200 mm的聚焦鏡組成，采用300μm的光纖芯徑，激光器最大輸出功率為4 k W，激光波長(zhǎng)為1 070 nm，連續(xù)輸出的激光模式為T(mén)EM00，聚焦光斑直徑為0.4 mm，光束發(fā)散角α＜0.15 rad.執(zhí)行機(jī)構(gòu)為ABB公司IRB-2400五軸焊接機(jī)器人.光譜測(cè)量系統(tǒng)主要包括SpectraPro-2356型光譜儀、面陣CCD和光纖測(cè)量組件.試驗(yàn)所用材料為車(chē)用5083/6016異種鋁合金，5083鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，下同）為：Si 0.4，Cu 0.1，Mn 0.4～1，Mg 4.0～4.9，Zn 0.25，Cr 0.05～0.25，F(xiàn)e 0.4，Al余量；6016鋁合金的化學(xué)成分為：Si 1.0～1.3，Cu 0.2，Mn 0.2，Mg 0.3～0.5，F(xiàn)e 0.5，Al余量.5083和6016異種鋁合金的板材尺寸分別為100 mm× 30 mm×1.0 mm和100 mm×30 mm×1.2 mm.焊前用8%的NaOH、30%的稀硝酸清洗焊件以去除表面油污，干燥后將5083鋁合金板置于上側(cè)，6016鋁合金置于下側(cè)，圖1為1.0 mm厚5083和1.2 mm厚6016異種鋁合金激光搭接焊試驗(yàn)示意圖.焊后線切割不同等離子體MgI信號(hào)處試樣，制備金相試樣；采用型號(hào)FEI Quanta200的掃描電鏡觀察焊縫形貌；采用型號(hào)HV-5的維氏硬度儀測(cè)試焊縫截面硬度；采用型號(hào)Instron3380的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同工藝條件下焊件的力學(xué)性能.

圖1 激光焊接試驗(yàn)示意圖Fig.1 Laser welding experimental schematic diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系

表1給出了激光焊接工藝參數(shù)與MgI平均相對(duì)光譜強(qiáng)度之間的關(guān)系，圖2為實(shí)時(shí)采集MgI383.83光譜隨時(shí)域變化的相對(duì)光強(qiáng)(圖2(a）～圖2(g）分別為表1中1～7組工藝條件下的MgI時(shí)域圖）.

對(duì)圖2實(shí)時(shí)采集MgI383.83光譜隨時(shí)域變化的相對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在離焦量與功率一定的條件下，掃描速度從60 mm/s增加至90 mm/s時(shí)，MgI相對(duì)光譜強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中圖2(a）相對(duì)強(qiáng)度比較大，均值為25 938；圖2(c）相對(duì)強(qiáng)度比較小，均值為19 882.而不同離焦量下，MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度均值在22 541到26 510之間，離焦量為負(fù)時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度大，波動(dòng)明顯；離焦量為正時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度先增大后逐漸平穩(wěn)；離焦量為0時(shí)，焊接起始后一段時(shí)間內(nèi)，相對(duì)強(qiáng)度較穩(wěn)定，總體來(lái)看，MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度偏幅大，離焦量對(duì)MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度作用明顯，表明焊接工藝參數(shù)中，離焦量對(duì)MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度影響最大；而在離焦量與掃描速度不變，焊接過(guò)程穩(wěn)定時(shí)，對(duì)應(yīng)功率為2.4 k W，但MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度較低，均值21 824；功率為3.2 k W時(shí)，MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度明顯較大，均值為25 132；而功率為2.8 k W時(shí)，MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度平緩.整體看來(lái)，激光功率對(duì)MgI信號(hào)整體幅度改變較小.

表1 焊接工藝參數(shù)與 MgI平均相對(duì)光譜強(qiáng)度之間的關(guān)系Tab.1 Relationship between welding process parameters and MgI average relative spectral intensity

圖2 不同時(shí)域 MgI相對(duì)光譜強(qiáng)度Fig.2 MgI spectrum relative indensityent at time domain

2.2 MgⅠ譜線相對(duì)強(qiáng)度與焊件質(zhì)量性能間的關(guān)系

試驗(yàn)觀測(cè)不同MgI光譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度下，焊縫主要存在未焊透、焊穿、塌陷、氣孔等缺陷.從表1所示焊件焊縫形貌試驗(yàn)觀察結(jié)果來(lái)看，MgI光譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度均值較小時(shí)，焊件出現(xiàn)未焊透缺陷，如圖3 (a）和圖3(b）所示；而相對(duì)強(qiáng)度均值較大時(shí)，出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象，如圖3(c）和圖3(d）所示.進(jìn)一步對(duì)圖2(b）實(shí)時(shí)采集MgI383.83光譜隨時(shí)域變化的相對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)MgI光譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度平緩時(shí)，焊接接頭焊縫形貌未出現(xiàn)明顯缺陷，焊縫整齊，均勻度較好，如圖4(a）所示.而MgI光譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度驟增處(圖2(g）），焊縫較寬，焊接層表面熔化不均勻，焊件出現(xiàn)咬邊、塌陷、氣孔等缺陷，如圖4(b）所示.分析塌陷形成原因，可能是激光加熱使材料變成蒸汽粒子飛出時(shí)，飛出粒子的反沖壓力造成液態(tài)表面出現(xiàn)塌坑；而氣孔則可能是5083/6016異種鋁合金激光焊接時(shí)，低熔點(diǎn)Mg，Al元素形成了較強(qiáng)的等離子體，撓亂了金屬蒸汽的反沖壓力、液態(tài)靜壓力與表面張力的平衡，使小孔瞬間震蕩，造成熔池不穩(wěn)定，因此導(dǎo)致外界氣體及金屬蒸汽不能逸出而滯留在快速凝固的焊縫中［8］.圖5給出了MgI光譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度變化平緩和驟增2種情況下焊接試樣硬度的測(cè)試結(jié)果.發(fā)現(xiàn)焊件焊縫徑向方向顯微硬度的變化趨勢(shì)是：先降低，再增加，最后基本趨于一致.焊縫區(qū)平均顯微硬度值分別為66.09 HV，65.29 HV，均低于母材平均硬度72.81 HV，表明5083/6016異種鋁合金激光焊接時(shí)，焊接接頭出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象［9］.

圖3 焊縫正面及背面形貌Fig.3 Weld surface and the surface morphology on the back

圖5 焊接試樣硬度Fig.5 Hardness of welding sample

從圖6所示的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可知，圖2(c），(e）及(f）所示對(duì)應(yīng)的工藝條件下，MgI光譜信號(hào)較弱，焊件未焊透，焊件試樣抗拉強(qiáng)度較低，伸長(zhǎng)率較大.圖2 (a），(d）及(g）對(duì)應(yīng)工藝條件下，MgI光譜信號(hào)較強(qiáng)，焊接試樣抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率相對(duì)下降.而圖2(b）對(duì)應(yīng)工藝條件下，MgI光譜信號(hào)強(qiáng)度變化相對(duì)平穩(wěn)，而焊接試樣抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均較高，分別為178.5 MPa，7%.

圖6 不同 MgI強(qiáng)度信號(hào)的焊件抗拉性能Fig.6 Tensile properties with different MgI signal intensity process

3 分析與討論

3.1 MgⅠ光譜信號(hào)與工藝參數(shù)之間的關(guān)系

從2.1節(jié)發(fā)現(xiàn)，5083/6016異種鋁合金激光焊接時(shí)，掃描速度、離焦量、激光功率等工藝參數(shù)與MgI光譜信號(hào)之間存在一定的關(guān)聯(lián).本部分對(duì)其之間的關(guān)系進(jìn)行分析.通常激光焊接能量分布受工藝參數(shù)影響，若長(zhǎng)度為Δl時(shí)，熔化焊件的質(zhì)量為：

式中：ρ和S分別為焊件密度和弧狀橫截面積，其中

式中：b，h分別為熔寬和熔深.質(zhì)量為mb的焊件熔化所需的能量為［7］：

式中：c，Δt和Δh分別為焊件的比熱容、熔點(diǎn)與環(huán)境溫度差值和熔化潛熱.可以看出，在離焦量與功率一定的條件下，如增大速度，則激光輻照到工件表面的能量會(huì)減少，熔化焊件材料也會(huì)減少，因此，MgI相對(duì)光譜強(qiáng)度呈下降趨勢(shì).

只改變離焦量的情況下，從圖2(d），2(g）和圖2 (e）可看出，在激光功率、焊接速度一定的條件下，離焦量為0時(shí)，MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度大于離焦量為1.5 mm的強(qiáng)度，但弱于離焦量為-1.5 mm處的譜線強(qiáng)度.喬紅貞［10］認(rèn)為激光功率密度與離焦量呈負(fù)指數(shù)關(guān)系：

式中：p為功率；f為焦距；x為離焦量；D為光斑尺寸.如圖7所示，離焦量變化會(huì)導(dǎo)致光斑半徑及激光功率密度發(fā)生改變，由于離焦量為0比離焦量為1.5 mm作用在焊件上的光斑半徑小，因而能量集中，等離子體強(qiáng)，因此 MgI譜線相對(duì)強(qiáng)度均值較大.而當(dāng)離焦量為-1.5 mm時(shí)，盡管作用在焊件表面上的激光功率密度減小，但由于激光焦點(diǎn)位于焊件表面以下，有效燒蝕面積卻增大，因此產(chǎn)生的等離子體增多，譜線強(qiáng)度增強(qiáng)，因而離焦量為-1.5 mm大于離焦量為0時(shí)的強(qiáng)度，從而產(chǎn)生了如表1所示的結(jié)果.

對(duì)激光功率與MgI相對(duì)光譜強(qiáng)度之間的關(guān)系而言，由于激光功率增大，激光輻照到工件表面的能量增加，出現(xiàn)了表1中MgI光譜信號(hào)相對(duì)平均強(qiáng)度隨功率增大而增強(qiáng)的趨勢(shì)，同時(shí)由于功率對(duì)等離子體影響比較?。?］，因此使得MgI信號(hào)整體趨勢(shì)不隨激光功率發(fā)生明顯的改變.

圖7 離焦量與功率密度Fig.7 Focusing position and power density

3.2 MgⅠ光譜信號(hào)與焊件質(zhì)量表征關(guān)系的建立

本部分運(yùn)用Hugh hart的統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC）理論［11-12］，采集MgI光譜相對(duì)強(qiáng)度信號(hào)作為統(tǒng)計(jì)樣本，基于2.2節(jié)MgI光譜信號(hào)與焊件質(zhì)量之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)建立激光焊接5083/6016異種鋁合金焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)控制單值-移動(dòng)極差控制(XRs）圖.相鄰樣本MgI光譜相對(duì)強(qiáng)度信號(hào)的移動(dòng)極差為：

Xi為第i個(gè)樣本MgI光譜相對(duì)強(qiáng)度值，平均移動(dòng)極差為：

樣本X的UCL，LCL控制線為：

樣本Rs的UCL，LCL控制線分別為：

由于光譜信號(hào)在焊接起始及結(jié)束階段有持續(xù)現(xiàn)象［13］，建立焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制X-Rs圖時(shí)，所用統(tǒng)計(jì)樣本應(yīng)選用MgI光譜信號(hào)強(qiáng)度的有效幀數(shù).

利用X-Rs控制圖(圖8）檢測(cè)2.1節(jié)圖2(g）中MgI信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)信號(hào)超出X控制UCL線處，焊接試樣表面存在凹陷、對(duì)應(yīng)下方內(nèi)部存在氣孔缺陷(圖4(b））；檢測(cè)圖2(e）工藝參數(shù)MgI信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系(圖9），發(fā)現(xiàn)焊接試樣存在凹陷缺陷，其與MgI光譜信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9(b）所示.

圖8 MgI光譜SPC控制X-Rs圖Fig.8 MgI spectrum SPC control X-Rschart

圖9 MgI光譜時(shí)域及檢測(cè)缺陷的X-Rs控制圖Fig.9 MgI time-domain spectrum and detecting defects X-Rscontrol chart

4 結(jié) 論

1）激光焊接5083/6016異種鋁合金，MgI平均相對(duì)光譜強(qiáng)度與工藝參數(shù)之間存在一定關(guān)聯(lián)，隨著掃描速度增加，MgI光譜信號(hào)強(qiáng)度降低，離焦量對(duì)MgI光譜信號(hào)作用明顯，而激光功率對(duì)MgI信號(hào)整體幅度改變較小.

2）激光焊接5083/6016異種鋁合金，MgI平均相對(duì)光譜強(qiáng)度與焊件質(zhì)量性能存在一定關(guān)聯(lián).MgI光譜強(qiáng)度較小或較大，試件出現(xiàn)焊不透或焊穿現(xiàn)象；MgI等離子體信號(hào)波動(dòng)較大處，出現(xiàn)咬邊、凹陷、氣孔等缺陷，力學(xué)性能低；而等離子體信號(hào)平穩(wěn)時(shí)，焊縫平整，缺陷少，力學(xué)性能好.

3）基于MgI光譜信號(hào)與焊件質(zhì)量存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用Hugh hart的SPC控制理論，建立了焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制X-Rs圖，為實(shí)時(shí)調(diào)整或優(yōu)化焊接工藝參數(shù)控制焊件缺陷產(chǎn)生提供重要理論基礎(chǔ).

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Relation between Spectrum Signal of 5083/6016 Dissimilar Alloy Laser Welding and Weldment Quality

ZHOU Dian-wu?，LI Sheng，ZHANG Hong

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China）

The laser welding test was carried out on the 5083 aluminum alloy with thickness 1.0 mm and the 6016 aluminum alloy with thickness 1.2 mm.The relationship between plasma MgIspectrum signal and the process parameters as well as welding quality were studied by testing the MgIsingal of laser welded dissimilar alloy and by analyzing fracture morphology，microhardness and mechanical properties in the joint by using spectroscopic measurement system，scanning electron microscope，vickers microhardness machine，and computer control electronic universal testing machine.The results show that，with the speed increasing，MgI spectrum signal strength is reduced；the focus obviously affects MgI signal while the laser power changs the whole MgI signal amplitude slightly.When MgI relative strength appears smaller or larger，the specimens have lack or over welding；MgI plasma with strong fluctuations leads to defects such as porosity and low mechanical performance while smooth MgI signal has less defect and good mechanical performance.The real-time control welding process X-Rsis established based on MgIspectral signal corresponding to the quality of weldment and Hugh hart SPC control theory.

TG115

A

1674-2974（2014）08-0030-06

2013- 10- 28

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃）重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2012AA111802）

周惦武(1971-），男，湖北浠水人，湖南大學(xué)教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail：ZDWe-mail@126.com