鋁合金激光-MIG焊工藝準(zhǔn)備

文／沈義·武漢法利萊切焊系統(tǒng)工程有限公司

鋁合金激光-MIG焊工藝準(zhǔn)備

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厚板鋁合金的應(yīng)用

鋁及鋁合金材料密度小，約為鋼的1/3，是一種儲量大、性能優(yōu)的輕量化材料；熔點低（660℃）；是面心立方結(jié)構(gòu)，具有很高的塑性（δ:32%～40%，ψ:70%～90%）；比強(qiáng)度和比剛度好，易于加工；氧化形成一層致密的氧化膜耐腐蝕性好，廣泛用于交通運輸、機(jī)械、電子電器等行業(yè)。

5000系為Al-Mg系，熱處理不可強(qiáng)化的變形鋁合金，具有良好的防銹功能，國內(nèi)牌號標(biāo)示為LF××，5083鋁合金為最常用的5000系鋁合金，用于需要高抗腐蝕性、良好焊接性和中等強(qiáng)度的場合，包括船舶、汽車、飛機(jī)及裝甲車等的制造。Al-Mg系合金的供貨狀態(tài)可分為經(jīng)歷熱軋、退火的O態(tài)和經(jīng)歷熱軋、加工硬化及穩(wěn)定化處理的H態(tài)，H112狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度為315MPa。

6000系是Al-Mg-Si合金，老牌號為LD××，屬熱處理可強(qiáng)化合金，具有中等強(qiáng)度，在退火后仍能維持較好的強(qiáng)度。6061是最常用的6000系鋁合金，供貨狀態(tài)可分為退火O態(tài)、固溶后時效處理T態(tài)等，T651狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度為310MPa，多用于有一定強(qiáng)度要求、可焊性與抗蝕性高的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件，如制造卡車、塔式建筑、船舶、電車、鐵道車輛等。

激光電弧復(fù)合焊簡言之就是將激光和電弧兩種物理性質(zhì)和能量傳輸機(jī)制截然不同的兩種熱源結(jié)合在一起作用于同一加工工件，既能充分發(fā)揮兩種熱源各自的優(yōu)勢又能相互彌補(bǔ)各自的不足。激光-電弧復(fù)合焊與A-TIG、攪拌摩擦焊一起被公認(rèn)為是當(dāng)今焊接領(lǐng)域的三大研究熱點。通過研究，人們發(fā)現(xiàn)采用激光-電弧復(fù)合焊可有效地解決焊接氣孔等問題，尤其隨著鋁合金材料在工業(yè)產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，它已成為焊接鋁合金材料的一種理想方法。

鋁合金的焊接特性及激光-MIG的優(yōu)勢

鋁合金焊接是鋁合金構(gòu)件在實際應(yīng)用中十分重要的工藝環(huán)節(jié)，其獨特的物理化學(xué)特性，給焊接帶來很大困難，主要表現(xiàn)為以下幾點：

⑴鋁及其合金表面易形成氧化膜，該氧化膜熔點高，不熔于金屬。如果在焊接中處理不當(dāng)，易產(chǎn)生夾雜，影響焊縫質(zhì)量。

因此，焊前需要對母材、焊絲做好清理工作；焊接過程中，采用嚴(yán)格的氣體保護(hù)措施。目前可以采用化學(xué)清洗、機(jī)械打磨、激光清洗、噴丸等手段清理。采用的保護(hù)氣體主要為Ar氣或He/Ar的混合氣體。

⑵鋁及其合金熱導(dǎo)率大，約為鋼的4倍，要獲得與鋼相同的焊接效率，則焊接能量需要比焊接鋼時大2～4倍。此外，鋁合金線膨脹系數(shù)大，約為鋼的2倍，熔化時體積收縮率達(dá)到6.5%～6.6%，焊接件易產(chǎn)生熱應(yīng)力、變形，也增大了開裂傾向。

采用激光-MIG焊，通過激光和電弧復(fù)合熱源能有效提高光的利用率，在穩(wěn)定小孔的同時，得到單次焊道熔深、熔寬都比較大的焊縫，減少焊道次數(shù)，有效控制變形。

⑶鋁及其合金在固液條件下對氫的溶解度相差近30倍，熔化的焊縫金屬經(jīng)快速冷卻易在焊縫中形成氫氣孔。

對于單激光焊，氧化膜的存在會影響小孔的穩(wěn)定性，從而容易產(chǎn)生工藝氣孔；激光-MIG焊，相比傳統(tǒng)焊接方法，增加熔池存在時間，有利于氣泡上升和溢出，相比于激光焊，激光-MIG能穩(wěn)定小孔，從而有利于消除工藝氣孔。

⑷高溫下鋁的強(qiáng)度很低，鋁在370℃時的強(qiáng)度僅為10MPa，以致不能支撐住熔池而出現(xiàn)塌陷和燒穿缺陷。在焊縫反面安裝墊板，能保證焊透的同時成形良好的焊縫，但容易導(dǎo)致氣孔率增加。

⑸鋁合金一般含有低沸點的鎂、鋅元素，這些合金元素在焊接過程中極易產(chǎn)生劇烈的蒸發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致焊接過程失穩(wěn)，繼而引發(fā)氣孔、凹陷、咬邊及飛濺等一系列缺陷的產(chǎn)生。大量研究表明，激光焊接鋁鎂合金主要存在嚴(yán)重的氣孔傾向及焊接過程穩(wěn)定性差的問題。

通過激光-MIG復(fù)合焊，填充材料化學(xué)冶金補(bǔ)充有益成分而改善接頭性能，而電弧的存在有利于穩(wěn)定小孔，從而穩(wěn)定焊縫成形。

⑹鋁合金焊接接頭軟化。受焊接熱循環(huán)的影響，熱處理可強(qiáng)化鋁合金在熱影響區(qū)會出現(xiàn)明顯的接頭軟化現(xiàn)象，即強(qiáng)度降低。

激光-MIG復(fù)合焊相當(dāng)于在原激光或MIG的基礎(chǔ)上，增加一個熱源，能起到焊后熱處理的功效，從而改善接頭性能。針對5000系、6000系鋁合金，其焊接性如下。

Al-Mg（5000系）合金Mg含量一般為0.5%～7.0%。當(dāng)Mg含量為2%左右時，焊接時產(chǎn)生裂紋的傾向性很高。隨著Mg含量繼續(xù)增加，合金強(qiáng)度增高，焊接性改善，但延展性及耐蝕性能有所降低。Mg含量超過5%后，耐蝕性降低明顯，超過7%以后，合金對應(yīng)力集中、應(yīng)力腐蝕敏感。Al-Mg合金焊接接頭的強(qiáng)度一般可達(dá)退火狀態(tài)母材強(qiáng)度的80%～90%。

Al-Mg-Si（6000系）合金可熱處理強(qiáng)化，在焊接結(jié)構(gòu)上多呈鈑金件及復(fù)雜形狀的薄壁件形式。合金耐蝕性良好，但焊接時有產(chǎn)生焊接裂紋的傾向。在380～420℃下加熱10～60min后空冷即發(fā)生退火，適于采用各種熔焊方法焊接。

表1 常用鋁合金焊絲和板材的化學(xué)成分

表2 按照特殊性能要求推薦的部分鋁合金填充焊絲

鋁合金焊材的選擇

鋁及鋁合金材料焊接時，總是力圖使焊接接頭與母材保持一致，選擇焊材時，盡量選擇與母材成分一致或接近的材料，鋁合金焊接常用焊絲的化學(xué)成分如表1所示，選擇焊絲時需考慮5個原則：⑴抗裂性；⑵強(qiáng)度；⑶耐蝕性；⑷稀釋率；⑸顏色。

5000系鋁合金耐蝕性能好，6000系鋁合金強(qiáng)度高，推薦使用ER4047或ER5356兩種焊材。對強(qiáng)度要求不高的，可以用ER4043或4047；對強(qiáng)度要求高的，用ER5356焊絲。

為避免焊接后整個工件的完全熱處理，Al-Mg-Si鋁合金件的焊接結(jié)構(gòu)可采用兩種制造工藝方案：⑴固溶淬火+焊接+人工時效，焊絲采用ER4043，此時對接接頭強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.8～0.85；⑵固溶淬火+人工時效+焊接，焊絲采用ER4043，此時對接接頭強(qiáng)度系數(shù)不低于0.7。

焊絲是影響焊縫金屬成分、組織、液相線溫度、固相線溫度、焊縫金屬及近縫區(qū)母材的抗熱裂性、耐腐蝕性及力學(xué)性能的重要因素。當(dāng)鋁材焊接性不良，焊接接頭力學(xué)性能不良或者焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂時，改用適當(dāng)?shù)暮附z而不改變焊件設(shè)計和工藝條件常常是必要、可行的技術(shù)措施。針對一些特殊性能的要求，需要進(jìn)行特別匹配（表2）。

激光-MIG焊接工藝參數(shù)

激光-電弧復(fù)合焊可以降低激光焊對焊接工件的裝配要求，擴(kuò)大焊接熱輸入范圍，降低接頭裂紋和氣孔傾向，同時稀釋激光焊接產(chǎn)生的等離子體，提高激光能量的傳輸效率。激光焊中復(fù)合電弧有助于焊接過程中填充焊絲的熔化，調(diào)整焊縫化學(xué)成分，改善接頭性能及焊縫成形；電弧焊中復(fù)合激光可以提高電弧挺度及穩(wěn)定性，提高電弧的能量利用率，增加接頭熔深。

研究表明，激光-電弧兩熱源間距、激光功率、電弧電壓及填充金屬的種類對焊接熔池尺寸、熱量分布、接頭熔深、焊縫成形及接頭連接性能均有影響。在焊接時，需要對激光和MIG焊槍相對位置做精確地調(diào)節(jié)，如圖1所示，激光束偏離垂直方向10°，MIG焊槍與工件的夾角75°，光絲間距激光斑點的離焦量為0，激光與焊絲端部的間距用DLA表示，其中焊絲干伸長L為15mm。采用電弧在后、激光在前（Arc Leading）的方式進(jìn)行焊接。MIG電源直流反接，試驗中保護(hù)氣為99.99%氬氣。

激光與電弧的位置關(guān)系：激光在電弧前、電弧后的位置會對焊接接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響。激光在電弧前時，相當(dāng)于電弧對焊接接頭進(jìn)行了焊后回火處理，由于焊接速度快，只對接頭上表面進(jìn)行了回火、下面未回火，接頭上表面成形均勻飽滿。激光在電弧后時，相當(dāng)于對焊件進(jìn)行預(yù)熱，接頭表面的成形性差，但焊接接頭的力學(xué)性能較好。在實際生產(chǎn)中，對接頭表面形貌大多數(shù)都有一定要求，所以復(fù)合焊一般采用激光在前、電弧在后的復(fù)合方式。

鋁合金激光-電弧復(fù)合焊工藝中可控參數(shù)較多，主要有以下幾方面。

⑴激光功率和電弧電流電壓等。復(fù)合焊接對激光功率要求降低，同時功率因素對工藝影響很大，激光功率越大，熔深越大，而且這種影響力遠(yuǎn)大于激光單獨焊接時對熔深的影響，增加電弧電源功率，熔化區(qū)寬度增加，熱影響區(qū)增大，若采用脈沖激光器，可調(diào)節(jié)脈沖頻率和寬度以提高工藝穩(wěn)定性，減少氣孔的形成。

⑵焊接速度。隨焊接速度的增加，焊接熱輸入降低，焊縫熔深降低，而且不同的焊接速度對匙孔作用不同，從而影響焊接的穩(wěn)定性。

⑶激光與電弧中心的距離。在一定范圍內(nèi)，激光與電弧中心距DLA越小則熔深越大，此時增加電弧電流不僅增加熔寬，而且增加熔深。

⑷激光與電弧配合方式。采用激光在前、電弧在后的配合關(guān)系，焊縫表面成形良好。

⑸填充材料的影響。通過填充焊絲、粉末來補(bǔ)充合金元素的燒損，增加焊縫強(qiáng)度，改善工藝性能，防止熱裂紋。

⑹保護(hù)氣體成分及流速。復(fù)合焊中保護(hù)氣體一般為Ar、He或Ar/He混合氣體，Ar的電離能低，易于形成等離子體，與激光束光子形成耦合作用，不利于保護(hù)，所以純He氣比純Ar氣保護(hù)效果好，但Ar氣更經(jīng)濟(jì)一些，國外有用Ar75%+He25%混合氣體進(jìn)行激光焊接，效果良好，且可改善工藝性能。

結(jié)論

⑴激光-MIG復(fù)合焊是鋁合金焊接的良好解決方案，但主要適用于中厚板的焊接，對于薄板，鋁合金受熱剛性差而容易焊漏。

⑵鋁合金焊接最主要的缺陷為接頭軟化、氣孔、裂紋等問題，激光-MIG復(fù)合焊相比其他焊接方法，能夠改善，但無法根除。

⑶激光-MIG復(fù)合焊工藝復(fù)雜，涉及參數(shù)多，包括不同功能焊絲的選擇，功率、焊接速度、送絲速度、電弧電壓及電流、光絲間距、保護(hù)氣及流量等，需要在焊前去除焊絲、工件表面氧化膜。