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

周惦武+李升+張紅

收稿日期：20131028

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）重點資助項目（2012AA111802）

作者簡介：周惦武（1971-），男，湖北浠水人，湖南大學教授，博士

通訊聯(lián)系人，Email：ZDWe_mail@126.com

摘要： 采用光纖激光器對1.0 mm厚5083和1.2 mm厚6016異種鋁合金平板試件進行激光搭接焊試驗，利用光譜測量系統(tǒng)、掃描電鏡、維氏顯微硬度儀和微機控制的電子萬能試驗機等手段，檢測激光焊接過程等離子體產(chǎn)生時輻射出的時域MgI光譜信號，分析焊縫形貌、顯微硬度和力學性能，研究等離子體中MgI光譜信號相對強度與焊件質(zhì)量之間關(guān)系.結(jié)果表明，隨著掃描速度增加，MgI光譜信號強度降低，離焦量對MgI光譜信號作用明顯，而激光功率對MgI信號整體幅度改變較?。籑gI光譜強度較小或較大，試件出現(xiàn)焊不透或焊穿現(xiàn)象；MgI等離子體信號波動較大處，出現(xiàn)咬邊、凹陷、氣孔等缺陷，力學性能低；而MgI等離子體信號平穩(wěn)時，焊縫平整，缺陷少，力學性能好.基于MgI光譜信號與焊件質(zhì)量之間的對應關(guān)系，運用Hugh hart 的統(tǒng)計過程控制（SPC）理論，建立了焊接過程單值移動極差控制（XRs）圖.

關(guān)鍵詞：激光焊接；異種鋁合金；等離子體信號；焊件質(zhì)量

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A

Relation between Spectrum Signal of 5083/6016 Dissimilar

Alloy Laser Welding and Weldment Quality

ZHOU Dianwu， LI Sheng， ZHANG Hong

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha，Hunan410082，China）

Abstract：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 MgI spectrum signal and the process parameters as well as welding quality were studied by testing the MgI singal 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 realtime control welding process X Rs is established based on MgI spectral signal corresponding to the quality of weldment and Hugh hart SPC control theory.

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

輕量化成為汽車減排的重要舉措，而實現(xiàn)汽車減重，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化等諸多優(yōu)點，是異種鋁合金理想的焊接方法，但由于焊接過程存在多變量和較多的不確定因素，而焊后離線檢查費時費力、靈活性差，因此實時監(jiān)測焊接過程光、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與難點[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程產(chǎn)生的Zn，Mn發(fā)射譜線與焊件質(zhì)量的對應關(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)焊接過程穩(wěn)定時，等離子體光信號在某一穩(wěn)定幅值上進行小幅度波動，而焊接質(zhì)量發(fā)生變化時，等離子體光信號的幅值大小發(fā)生明顯改變.為建立焊接過程等離子特征信息與焊件質(zhì)量之間關(guān)系，實時調(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用提供重要理論和試驗基礎，本文以車用5083/6016異種鋁合金為研究對象，采用光纖激光器對其平板試件進行激光搭接焊試驗，利用光譜測量系統(tǒng)、掃描電鏡、維氏顯微硬度儀、微機控制的電子萬能試驗機等手段，檢測了異種鋁合金激光焊接等離子體產(chǎn)生時輻射出的時域MgI光譜，分析了焊縫形貌、顯微硬度和力學性能，研究了等離子體MgI光譜信號相對強度與工藝參數(shù)、焊接質(zhì)量性能之間的關(guān)系，并基于MgI光譜信號與焊件質(zhì)量之間的對應關(guān)系，建立了焊接過程實時控制的XRs圖.

1試驗設備、材料與方法

采用YLS4000CL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準直鏡和焦距為200 mm的聚焦鏡組成，采用300 μm的光纖芯徑，激光器最大輸出功率為4 kW，激光波長為1 070 nm，連續(xù)輸出的激光模式為TEM00，聚焦光斑直徑為0.4 mm，光束發(fā)散角α < 0.15 rad.執(zhí)行機構(gòu)為ABB公司IRB2400五軸焊接機器人.光譜測量系統(tǒng)主要包括SpectraPro2356型光譜儀、面陣CCD和光纖測量組件.試驗所用材料為車用5083/6016異種鋁合金，5083鋁合金的化學成分（質(zhì)量分數(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示意圖.焊后線切割不同等離子體MgI信號處試樣，制備金相試樣； 采用型號FEI Quanta200的掃描電鏡觀察焊縫形貌；采用型號HV5的維氏硬度儀測試焊縫截面硬度；采用型號Instron3380的電子萬能試驗機測試不同工藝條件下焊件的力學性能.

2試驗結(jié)果

2.1MgI譜線相對強度與工藝參數(shù)之間的關(guān)系

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

對圖2實時采集MgI383.83光譜隨時域變化的相對光強進行分析，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，MgI相對光譜強度呈現(xiàn)下降趨勢，其中圖2（a）相對強度比較大，均值為25 938；圖2（c）相對強度比較小，均值為19 882.而不同離焦量下，MgI譜線相對強度均值在22 541到26 510之間，離焦量為負時，相對強度大，波動明顯；離焦量為正時，相對強度先增大后逐漸平穩(wěn)；離焦量為0時，焊接起始后一段時間內(nèi)，相對強度較穩(wěn)定，總體來看，MgI譜線相對強度偏幅大，離焦量對MgI譜線相對強度作用明顯，表明焊接工藝參數(shù)中，離焦量對MgI譜線相對強度影響最大；而在離焦量與掃描速度不變，焊接過程穩(wěn)定時，對應功率為2.4 kW，但MgI譜線相對強度較低，均值21 824；功率為3.2 kW時，MgI譜線相對強度明顯較大，均值為25 132；而功率為2.8 kW時，MgI譜線相對強度平緩.整體看來，激光功率對MgI信號整體幅度改變較小.

2.2MgⅠ譜線相對強度與焊件質(zhì)量性能間的關(guān)系

試驗觀測不同MgI光譜信號相對強度下，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觀察結(jié)果來看，MgI光譜信號相對強度均值較小時，焊件出現(xiàn)未焊透缺陷，如圖3（a）和圖3（b）所示；而相對強度均值較大時，出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象，如圖3（c）和圖3（d）所示.進一步對圖2（b）實時采集MgI383.83光譜隨時域變化的相對光強進行分析，發(fā)現(xiàn)MgI光譜信號相對強度平緩時，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光譜信號相對強度驟增處（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，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，低熔點Mg，Al元素形成了較強的等離子體，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光譜信號相對強度變化平緩和驟增2種情況下焊接試樣硬度的測試結(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，焊接接頭出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象[9].

從圖6所示的力學性能測試結(jié)果可知，圖2（c），（e）及（f）所示對應的工藝條件下，MgI光譜信號較弱，焊件未焊透，焊件試樣抗拉強度較低，伸長率較大.圖2（a），（d）及（g）對應工藝條件下，MgI光譜信號較強，焊接試樣抗拉強度和伸長率相對下降.而圖2（b）對應工藝條件下，MgI光譜信號強度變化相對平穩(wěn)，而焊接試樣抗拉強度和伸長率均較高，分別為178.5 MPa，7%.

3分析與討論

3.1MgⅠ光譜信號與工藝參數(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，掃描速度、離焦量、激光功率等工藝參數(shù)與MgI光譜信號之間存在一定的關(guān)聯(lián).本部分對其之間的關(guān)系進行分析.通常激光焊接能量分布受工藝參數(shù)影響，若長度為Δl時，熔化焊件的質(zhì)量為：

mb=ρSΔl. （1）

式中：ρ和S分別為焊件密度和弧狀橫截面積，其中

S=4h2+b28h2×π180arcsin 4bh4h2+b2-

b2-4h2b16h；（2）

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]：

QM=mbcΔt+mbΔh. （3）

式中：c，Δt和Δh分別為焊件的比熱容、熔點與環(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減少，熔化焊件材料也會減少，因此，MgI相對光譜強度呈下降趨勢.

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，MgI譜線相對強度大于離焦量為1.5 mm的強度，但弱于離焦量為-1.5 mm處的譜線強度.喬紅貞[10]認為激光功率密度與離焦量呈負指數(shù)關(guān)系：

ρ=4pf2πD2x2. （4）

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，離焦量變化會導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，因此MgI譜線相對強度均值較大.而當離焦量為-1.5 mm時，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，譜線強度增強，因而離焦量為-1.5 mm大于離焦量為0時的強度，從而產(chǎn)生了如表1所示的結(jié)果.

對激光功率與MgI相對光譜強度之間的關(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光譜信號相對平均強度隨功率增大而增強的趨勢，同時由于功率對等離子體影響比較小[7]，因此使得MgI信號整體趨勢不隨激光功率發(fā)生明顯的改變.

3.2MgⅠ光譜信號與焊件質(zhì)量表征關(guān)系的建立

本部分運用Hugh hart 的統(tǒng)計過程控制（SPC）理論[11-12]，采集MgI光譜相對強度信號作為統(tǒng)計樣本，基于2.2節(jié)MgI光譜信號與焊件質(zhì)量之間存在的對應關(guān)系，來建立激光焊接5083/6016異種鋁合金焊接過程的實時控制單值移動極差控制（XRs）圖.相鄰樣本MgI光譜相對強度信號的移動極差為：

Rsi=Xi+1-Xi. （5）

Xi為第i個樣本MgI光譜相對強度值，平均移動極差為：

s=1n-1∑n-1i=1Rsi. （6）

樣本X的UCL，LCL控制線為：

UCL=+2.66s，CL=，

LCL=-2.66s. （7）

樣本Rs的UCL，LCL控制線分別為：

UCL=3.267s，CL=s，LCL=0. （8）

由于光譜信號在焊接起始及結(jié)束階段有持續(xù)現(xiàn)象[13]，建立焊接過程實時控制XRs圖時，所用統(tǒng)計樣本應選用MgI光譜信號強度的有效幀數(shù).

利用XRs控制圖（圖8）檢測2.1節(jié)圖2（g）中MgI信號相對強度與對應焊縫質(zhì)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)信號超出X控制UCL線處，焊接試樣表面存在凹陷、對應下方內(nèi)部存在氣孔缺陷（圖4（b））；檢測圖2（e）工藝參數(shù)MgI信號相對強度與對應焊縫

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光譜信號相對強度之間的對應關(guān)系如圖9（b）所示.

4結(jié)論

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

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

3） 基于MgI光譜信號與焊件質(zhì)量存在的對應關(guān)系，運用Hugh hart 的SPC控制理論，建立了焊接過程實時控制XRs圖， 為實時調(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.

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