鋁合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接工藝

(1. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000;2.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

鋁合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接工藝

程永明1梁曉梅2鄒吉鵬2黃瑞生2常晶舒2

(1. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000;2.機(jī)械科學(xué)研究院 哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028)

以5A06鋁合金為研究對象，通過焊縫成形、焊接過程熔滴過渡穩(wěn)定性、焊縫組織、接頭性能等方面重點(diǎn)考察激光-短路MIG電弧復(fù)合、激光-CMT電弧復(fù)合、激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接工藝特性。結(jié)果表明，采用激光-短路MIG電弧復(fù)合焊接方法獲得的焊縫成形較差，不符合要求；采用激光-CMT電弧復(fù)合及激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接方法容易獲得連續(xù)、穩(wěn)定的焊縫成形，焊接過程穩(wěn)定，焊接接頭的焊縫中部、熔合區(qū)及熱影響區(qū)微觀組織、焊接試件拉伸力學(xué)性能基本相同，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別達(dá)到母材的90%及50%以上。

鋁合金激光-CMT激光-脈沖MIG熔滴過渡

0 序 言

隨著工業(yè)技術(shù)對產(chǎn)品輕量化的要求日益增高，鋁合金作為一種結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。鋁合金激光焊存在激光能量的耦合、焊接熱裂紋、焊接氣孔、應(yīng)力變形、焊縫成形及接頭強(qiáng)度6個焊接性問題[2]，針對這些問題，激光電弧復(fù)合熱源焊接被提出是一種好的鋁合金連接方法，能夠克服鋁合金焊接中的一些缺陷[3-4]。

激光-MIG復(fù)合焊是一種高效率高質(zhì)量的焊接方法，但是，由于激光與MIG復(fù)合焊存在熔滴過渡問題，其焊接過程控制比較復(fù)雜[5]，而對于鋁合金不同激光-MIG電弧復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性的研究也鮮有報道。因此，文中以3 mm厚5A06鋁合金(LF6)為試驗(yàn)材料，以不同復(fù)合焊接過程熔滴過渡穩(wěn)定性研究為重點(diǎn)，研究了不同激光-MIG電弧復(fù)合焊接工藝特性。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用母材為3 mm厚5A06鋁合金(LF6)，采用直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分分別見表1和表2。焊接試驗(yàn)所用激光器為德國IPG公司的YL6000連續(xù)型輸出光纖激光器，其最大輸出功率為6 kW，波長λ為1.07 μm。試驗(yàn)用送絲機(jī)及弧焊電源為奧地利Fronius公司生產(chǎn)的TPS4000型數(shù)字化CMT焊機(jī)。鋁合金對接激光-MIG電弧復(fù)合焊接示意圖如圖1所示，采用激光在前、電弧在后的焊接方式。焊接工藝參數(shù)見表3。

表1 5A06鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 ER5356鋁合金焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

復(fù)合焊接試驗(yàn)過程中，以氙燈作為背景光源，采用日本Photron公司FastCam Ultima 512型高速攝像采集系統(tǒng)進(jìn)行激光-MIG電弧復(fù)合焊接熔滴過渡行為拍攝。拍攝像素為256×256，拍攝速度為4 000幀/秒。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖1 激光-MIG電弧復(fù)合焊接示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光-MIG電弧復(fù)合焊接工藝研究

2.1.1不同復(fù)合焊接方法對焊縫成形的影響

圖2為激光-CMT電弧復(fù)合焊接方法、激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接方法對焊縫正面成形的影響結(jié)果。結(jié)果表明，采用激光-短路MIG電弧復(fù)合焊接的焊縫成形較差，焊縫正面熔寬最小且余高最大，而采用激光-CMT電弧復(fù)合焊接的焊縫成形較好，焊縫正面熔寬、余高與激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊所得結(jié)果相當(dāng)。這是由于短路過渡電弧周期性的交替長大和熄滅會導(dǎo)致不穩(wěn)定的焊縫熔池，不利于激光能量過渡到母材之中，因此，與激光-短路MIG電弧復(fù)合焊接方法相比，激光-CMT電弧復(fù)合焊接方法和激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接方法更適合5A06鋁合金焊接，后續(xù)研究主要是針對激光-CMT電弧復(fù)合焊接方法和激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接方法。

圖2 不同復(fù)合焊接方法對焊縫正面成形的影響

2.1.2復(fù)合焊接過程熔滴過渡穩(wěn)定性研究

研究不同光絲間距條件下的激光-MIG電弧復(fù)合焊接過程熔滴過渡特點(diǎn)，圖3為CMT焊接過程及激光-CMT復(fù)合焊接過程的熔滴過渡，圖4 為脈沖MIG焊接過程及激光-脈沖MIG復(fù)合焊接過程的熔滴過渡，不同光絲間距對激光-MIG電弧復(fù)合焊接過程熔滴過渡頻率的影響見表4。

由圖3及表4可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)1 mm≤光絲間距≤5 mm時，激光-CMT復(fù)合焊接過程的熔滴過渡形式與單獨(dú)CMT焊接過程基本一致，復(fù)合焊接熔滴過渡過程穩(wěn)定，熔滴尺寸也有所增加，這可能是由激光具有預(yù)熱和穩(wěn)弧的作用引起的。此外，復(fù)合焊接熔滴過渡頻率大于單獨(dú)CMT焊接，復(fù)合焊接過程熔滴過渡頻率隨著光絲間距的增大而增大。這可能是因?yàn)楫?dāng)光絲間距較小時，激光束入射在熔池中心附近，產(chǎn)生了大量的金屬蒸氣，其對熔滴的上推力占據(jù)了主要作用，阻礙了熔滴的過渡，隨著光絲間距增加，這種阻力逐漸減小，使得熔滴過渡頻率增加。

由圖4及表4可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)1 mm≤光絲間距≤5 mm時，激光-脈沖MIG復(fù)合焊接過程的熔滴過渡形式與單獨(dú)脈沖MIG焊接過程基本一致，均為一脈沖一熔滴過渡；但當(dāng)光絲間距為1 mm時，激光-脈沖MIG復(fù)合焊接熔滴在過渡過程中容易飛行到激光束軸線區(qū)域，液態(tài)熔滴受激光束直接加熱而產(chǎn)生炸裂，從而形成大量焊接飛濺；當(dāng)光絲間距為3 mm時，激光-脈沖MIG復(fù)合焊接過程熔滴過渡穩(wěn)定，復(fù)合焊接過程熔滴過渡頻率大于單獨(dú)脈沖MIG焊，光絲間距變化對熔滴過渡頻率影響不明顯。

2.1.3不同復(fù)合焊接接頭組織對比

對激光-CMT電弧復(fù)合及激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接接頭的焊縫中部、熔合區(qū)及熱影響區(qū)微觀組織進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖5所示。

對比可以發(fā)現(xiàn)，兩種復(fù)合焊接方法焊接所得焊接接頭的各區(qū)域組織基本相同，焊縫區(qū)組織均為α-Al固溶體-共晶；熱影響區(qū)組織均為α-Al固溶體-塊狀析出物。

圖3 CMT焊接及激光-CMT復(fù)合焊接過程的熔滴過渡

圖4 脈沖MIG焊接及激光-脈沖MIG復(fù)合焊接過程的熔滴過渡

表4 光絲間距對熔滴過渡頻率的影響

圖5 不同焊接方法焊接接頭微觀組織

2.2 復(fù)合焊接接頭力學(xué)性能對比

2.2.1拉伸性能

由表5可知，激光-CMT電弧復(fù)合及激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別達(dá)到母材的91.4%,93.0%,53.0%及93.9%,93.2%,52.4%。

綜上所述，5A06鋁合金激光-CMT電弧復(fù)合及激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接試件的拉伸力學(xué)性能基本相同，均能滿足試驗(yàn)要求，組織決定性能，這可能與兩種焊接方法獲得焊縫組織有關(guān)。

2.2.2彎曲性能

對ER5356焊絲焊接所得的Y形坡口激光-CMT復(fù)合焊接試件進(jìn)行彎曲測試，彎曲后的試件如圖6所示。結(jié)果表明：在彎曲壓頭D等于5倍板厚ts的條件下，正彎過程彎曲角度≥60°時焊接接頭產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，背彎過程彎曲角度≥80°時焊接接頭產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。

表5 激光-MIG電弧復(fù)合焊接試件拉伸測試結(jié)果

圖6 測試彎曲試件

3 結(jié) 論

(1)采用激光-CMT電弧復(fù)合焊接方法及激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接方法均容易獲得連續(xù)、穩(wěn)定的焊縫成形，焊接工藝穩(wěn)定；兩種復(fù)合焊接方法在焊縫成形、接頭組織等方面均基本相同。

(2)當(dāng)1 mm≤光絲間距≤5 mm時，激光-CMT復(fù)合焊接過程的熔滴過渡形式與單獨(dú)CMT焊接過程基本一致，復(fù)合焊接熔滴過渡過程穩(wěn)定，但復(fù)合焊接過程熔滴過渡頻率大于單獨(dú)CMT焊接的結(jié)果，同時復(fù)合焊接過程熔滴過渡頻率隨著光絲間距的增大而增大；當(dāng)光絲間距≥3 mm時，激光-脈沖MIG復(fù)合焊過程的熔滴過渡穩(wěn)定，為一脈沖一熔滴過渡。

(3)激光-CMT電弧復(fù)合焊接及激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接接頭的熱影響區(qū)組織均為α-Al固溶體-塊狀析出物，焊縫組織為α-Al固溶體-少量共晶-點(diǎn)狀析出物。

(4)激光-CMT電弧復(fù)合及激光-脈沖MIG電弧復(fù)合焊接試件的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別達(dá)到母材的91.4%,93.0%及53.0%；焊接接頭的彎曲性能良好，滿足使用要求。

[1] 蔡笑宇.鋁合金激光-小功率MIG復(fù)合焊激光作用機(jī)理研究[D].天津：天津大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[2] 左鐵釧.高強(qiáng)鋁合金的激光加工[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[3] 劉 俊.鋁合金激光焊接工藝特性[J].現(xiàn)代制造工程,2003(3):55-56.

[4] 劉世永,孟 德,黃德康.鋁合金激光焊接的研究現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程材料,2004,28(9):5-8.

[5] 陳彥賓, 雷正龍, 李俐群,等. 激光-MIG復(fù)合焊接鋁合金短路過渡的熔滴特性[C].上海：第十一次全國焊接會議,2005.

TG456.7

2017-02-07

國家自然科學(xué)基金項目(61640423)；“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題(2016ZX04003002);“增材制造與激光制造”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2016YFB11 02100)。

程永明，1974年出生，高級工程師。主要從事高速動車組車體焊接技術(shù)研究。