坡口型式對(duì)5083鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭組織性能的影響

林賢軍，汪 認(rèn)，茍國(guó)慶

(1.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111;2.西南交通大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 前言

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的輕量化結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于軌道交通行業(yè)［1］。5083鋁合金為不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有較好的焊接性、良好的耐腐蝕性和易加工等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)形變強(qiáng)化后的板材廣泛應(yīng)用于鋁合金車體焊接生產(chǎn)中［2－3］?，F(xiàn)有電弧焊鋁合金焊接接頭存在接頭強(qiáng)度系數(shù)低、效率低、變形及殘余應(yīng)力大等缺點(diǎn)，降低了鋁合金焊接構(gòu)件的服役安全可靠性。如何提高鋁合金焊接接頭性能，減小焊接變形和殘余應(yīng)力已經(jīng)成為焊接領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一［4－5］。

激光－MIG復(fù)合焊接是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型高效的焊接方法，具有效率高、熱輸入小、工件變形及殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，可精確控制且易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化［4，6－8］。但由于鋁合金反射率較高，并且受激光功率的限制，鋁合金的激光－MIG復(fù)合焊接僅局限于薄板構(gòu)架。隨著大功率光纖激光器的問(wèn)世，鋁合金激光－MIG深熔焊的應(yīng)用才成為可能，但激光－電弧復(fù)合熱源單次熔透能力仍然有限。要實(shí)現(xiàn)鋁合金中厚板的焊接，必然要采用多層多道焊，因此坡口型式對(duì)焊接工藝參數(shù)、熔合比有較大影響，并最終影響焊接接頭組織性能［9－10］。

針對(duì)兩種不同坡口型式的6 mm厚鋁合金板材對(duì)接接頭進(jìn)行激光－MIG復(fù)合焊接，研究坡口型式對(duì)焊接過(guò)程工藝參數(shù)、焊縫成形及組織力學(xué)性能的影響，為鋁合金激光－MIG復(fù)合焊接接頭坡口優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用材料為尺寸200 mm×125 mm×6 mm的5083－H111鋁合金對(duì)接接頭試樣，不留間隙，坡口型式如圖1所示。圖1b的Y型坡口加工成2 mm寬的平臺(tái)，便于激光聚焦。

根據(jù)MIG焊的焊絲選擇原則［11］，采用直徑φ1.6 mm的ER5356焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

圖1 焊接接頭坡口型式

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分%

激光－MIG復(fù)合焊設(shè)備采用激光－MIG復(fù)合焊焊接系統(tǒng)，主要包括多功能激光焊機(jī)(YLS－4000S2T激光器、FDH0125激光射出頭)和 KempArc Pulse焊接設(shè)備(KempArc Pulse450焊接電源、DT400送絲機(jī)及冷水焊槍等)。本試驗(yàn)采用連續(xù)激光與脈沖MIG復(fù)合的方式，焊接過(guò)程中激光在前電弧在后，聚焦鏡偏轉(zhuǎn)角為2°，聚焦鏡焦距310 mm，熱源間距4～5 mm。保護(hù)氣為純度99.999%的氬氣，氣流量25 L/min。

采用型號(hào)為XXQ2505D－XK3.2X射線探傷設(shè)備對(duì)焊接接頭部位進(jìn)行無(wú)損探傷，檢驗(yàn)內(nèi)部缺陷情況。拉伸試驗(yàn)是在CM3505電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上按照GB/T 228－2002進(jìn)行，并觀察拉伸試樣的斷口及其周圍宏觀形貌。采用Am1蔡司顯微鏡設(shè)備對(duì)焊接接頭熔合區(qū)和焊縫中心組織進(jìn)行觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 坡口對(duì)焊縫成形的影響

采用I型坡口型式可以實(shí)現(xiàn)一次性熔透，激光功率 Pw=2.8 kW，焊接速度 vw=0.49 m/min，送絲速度vs=6.0 m/min;而采用Y型坡口型式，在保證焊透的前提下，激光功率Pw=1.3 kW，焊接速度vw=0.64 m/min，送絲速度 vs=6.0 m/min，激光功率明顯減低，這對(duì)激光器功率有限的條件下實(shí)現(xiàn)厚板鋁合金的焊接十分有利。

從焊接接頭的成形來(lái)看，采用I型坡口由于填充金屬大部分都熔覆在接頭表面，并且焊接速度相對(duì)較慢，導(dǎo)致焊后正面余高明顯較高，正面焊縫寬度明顯寬于背面焊縫。兩種坡口型式接頭外觀成形形貌如圖2所示。Y型坡口焊縫寬度窄得多，這是由于開Y型坡口以后，激光焦點(diǎn)作用在距離試板上表面3 mm的平臺(tái)上，相當(dāng)于將激光束所需穿透的深度直接減少了3 mm，激光功率大大降低，同時(shí)焊接速度明顯提高，導(dǎo)致焊接時(shí)線能量大幅度降低，因此形成的焊縫熔寬較小。

2.2 坡口對(duì)焊接接頭探傷結(jié)果的影響

圖2 不同坡口型式焊縫成形形貌

圖3 不同坡口型式焊接接頭探傷照片

采用X射線探傷的方法檢測(cè)接頭內(nèi)部缺陷，如圖3所示?？梢?jiàn)除了氣孔缺陷外，接頭內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)其他形式的缺陷，并且開Y型坡口的接頭內(nèi)部氣孔數(shù)量明顯多于I型坡口型式，氣孔尺寸也普遍較大。理論上說(shuō)，在其他條件相同的情況下，激光功率越大，焊縫熔深越深，焊接熔池內(nèi)部的氣體越來(lái)不及溢出，最終越易在焊縫內(nèi)部形成氣孔。本試驗(yàn)結(jié)果中，開Y型坡口接頭焊接時(shí)雖然激光功率比開I型坡口小，但由于最終的熔深差不多，且焊接速度有所提高，導(dǎo)致熔池凝固時(shí)間反而更短，最終開Y型坡口接頭內(nèi)部氣孔缺陷更多。因此，坡口型式不同會(huì)影響焊接接頭內(nèi)部氣孔的形成，但并非唯一決定因素，還要與其他焊接參數(shù)匹配適當(dāng)，才能有效控制氣孔數(shù)量［12］。

2.3 坡口對(duì)焊接接頭顯微組織的影響

不同坡口型式激光－MIG復(fù)合焊接接頭的光鏡顯微組織如圖4所示。圖4a和圖4b分別為I型坡口和Y型坡口熔合區(qū)組織，二者在熔合線靠近焊縫一側(cè)為垂直于熔合線方向排列的柱狀晶，靠近母材一側(cè)為經(jīng)軋制后細(xì)小的有一定取向的晶粒;圖4c和圖4d分別是I型坡口和Y型坡口焊縫區(qū)組織，都呈現(xiàn)為雜亂無(wú)章的樹枝晶結(jié)構(gòu)，組織特征為均勻分布著α(Al)+β(Mg5Al8)共晶和少量Mg2Si，Mg2Si呈骨骼狀。從光鏡下的顯微組織來(lái)看，兩種坡口型式焊接接頭組織沒(méi)有明顯差異。

2.4 坡口對(duì)焊接接頭拉伸性能的影響

圖4 不同坡口型式激光－MIG復(fù)合焊接接頭的顯微組織

兩種坡口型式激光－MIG復(fù)合焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可以看出I型坡口的激光－MIG復(fù)合焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為282 MPa。通過(guò)試驗(yàn)得到6 mm厚5083鋁合金的平均抗拉強(qiáng)度為323 MPa，可達(dá)母材平均抗拉強(qiáng)度的87.3%，而Y型坡口的激光－MIG復(fù)合焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度僅為252 MPa，為母材的78%。這主要是焊縫內(nèi)部的氣孔數(shù)量不同造成的，由圖3的X射線探傷照片可以看出，與I型坡口的復(fù)合焊接接頭相比，Y型坡口由于焊縫內(nèi)部氣孔較多、體積較大，甚至出現(xiàn)了鏈狀分布的密集型氣孔，減小了接頭的有效承載截面，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭抗拉強(qiáng)度較低。從拉伸試樣的斷口也可以看出，兩種坡口型式的接頭內(nèi)部氣孔數(shù)量和分布狀態(tài)有明顯差異，如圖5所示。

表2 不同坡口型式5083鋁合金激光－MIG復(fù)合焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同坡口型式5083鋁合金激光－MIG復(fù)合焊接接頭拉伸宏觀斷口

3 結(jié)論

通過(guò)無(wú)損探傷檢驗(yàn)、金相組織分析、拉伸試驗(yàn)等測(cè)試手段，研究了坡口型式對(duì)5083－H111鋁合金激光－MIG復(fù)合焊接接頭的組織和力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論:

(1)采用Y型坡口型式，在1.3 kW激光功率和0.64 m/min的焊接速度下能保證6 mm的5083板材對(duì)接接頭熔透，焊縫外觀成形較好。

(2)采用Y型坡口形式，由于線能量的降低導(dǎo)致熔池凝固速率變低，增加了氣孔出現(xiàn)的幾率，焊縫中氣孔較多。

(3)I型坡口5083鋁合金激光－MIG復(fù)合焊接頭平均抗拉強(qiáng)度為282 MPa，可達(dá)母材的82.6%;而Y型坡口由于氣孔較多，導(dǎo)致強(qiáng)度下降明顯，只有252 MPa。

(4)不同坡口型式的激光－MIG復(fù)合焊接接頭由母材到焊縫中心的顯微組織依次為沿軋制方向伸長(zhǎng)的纖維組織、柱狀晶和雜亂無(wú)章的樹枝晶，坡口型式對(duì)接頭組織無(wú)明顯影響。

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