6.0mm厚5183鋁合金激光擺動焊接工藝研究

余世文，周 昆，張 威，王維新，劉巨峰，葉 兵

(1.激光先進制造技術湖北省重點實驗室，武漢 430223；2.武漢華工激光工程有限責任公司，武漢 430223；3.湖北三江航天紅陽機電有限公司，孝感 432000)

引 言

鋁合金因其具有較高的比強度、良好的工藝成形性、斷裂韌性及優(yōu)良的耐蝕性能，適應傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級和現(xiàn)代高新科技發(fā)展的需要，已經(jīng)被廣泛應用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業(yè)的焊接結(jié)構中[1]。傳統(tǒng)的鋁合金焊接方法主要有鎢極氬弧焊(tungsten inert gas welding，TIG)、熔化極惰性氣體保護焊(metal inert-gas welding，MIG)[2]等。傳統(tǒng)的焊接方法不僅熔透能力差、焊接效率低，并且焊接變形大、焊接質(zhì)量較低[3]。激光焊作為最有前景的焊接方法之一，具有焊速高、能量密度高、線輸入低等諸多優(yōu)點，但是在鋁合金的焊接過程中也存在一些不易克服的問題，其中最常見的問題是氣孔[4]。氣孔會嚴重破壞焊縫金屬的致密性、削弱焊縫的有效截面積，極大地降低焊縫的力學性能和耐腐蝕性能[5]。

近年來，激光行業(yè)的國內(nèi)外學者及相關從業(yè)人員開展了大量的研究。清華大學的ZHAO等人研究了擺動光束對低碳鋼激光焊接氣孔的影響,發(fā)現(xiàn)光束擺動激光焊接可以減少和消除氣孔；擺動頻率越大，擺動幅度越大，對熔池的攪拌越大，越有利于氣泡的逸出，氣孔越少[6]。清華大學的BAO等人則進行了光束擺動時對超細晶粒鋼的焊縫組織性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)隨著擺動頻率的增加，沖擊吸收能量和拉伸強度顯著增加；在最優(yōu)擺幅和頻率下，擺動焊的焊縫強度比無擺動的焊縫相強度有提高，而韌性提高了8.74%[7]。激光擺動焊接不僅在對間隙、不等厚板的適應性上有著顯著優(yōu)勢[8]，而且對微觀組織的改善、氣孔及裂紋的出現(xiàn)也有著明顯的抑制能力[9]。由于擺動振幅和擺動頻率的增大，光束擺動引起的熔池攪拌力明顯提升，極大地利于氣泡的逸出[10]，氣孔率顯著下降，并且隨著擺動頻率的增加，沖擊吸收能量和拉伸強度亦顯著增加。研究表明，激光擺動焊接還可以抑制鋁合金的凝固裂紋，從而提高焊縫性能。

不僅如此，國內(nèi)外學者及相關從業(yè)人員還嘗試了各種焊接手段，如激光填絲焊、激光-MIG復合焊、激光-TIG復合焊等等，但都只使得鋁合金焊接質(zhì)量在非常有限的程度上得到了改善，公開報道的文獻中尚未見到基本消除氣孔這一缺陷的鋁合金焊縫。因此，激光擺動焊接法對解決上述問題顯示出了良好的前景[11]。

1 實驗材料、設備與方法

1.1 實驗材料

實驗中以6.0mm厚5183鋁合金試板為研究對象，試板尺寸為100.0mm×150.0mm×6.0mm，采用WDW-200E微機控制電子式萬能試驗機測得其抗拉強度為307MPa，化學成分含量如表1所示。實驗中對材料進行化學除油、機械去氧化皮處理，并置于干燥箱中干燥。

Table 1 Chemical composition (mass fraction) of 5183 aluminum alloy

1.2 實驗設備

1.2.1 激光擺動焊接頭 傳統(tǒng)的激光擺動焊接，準直光束通過單軸振鏡擺動，經(jīng)過聚焦鏡聚焦的光斑又與焊接頭配合相對于工件移動，形成具有一定振幅、頻率和偏移量的焊縫；而2軸振鏡系統(tǒng)的擺動焊接則是通過控制系統(tǒng)形成一條擺動焊縫，需要較高的成本[12]。這些都阻礙了激光擺動焊接法的應用。

相對于傳統(tǒng)擺動焊接模式，本文中采用的雙楔形鏡旋轉(zhuǎn)D50激光擺動焊接(以下簡稱激光擺動焊接，如圖1所示)，其焦點處光斑直徑為0.4mm，通過安裝于準直鏡和聚焦鏡之間的擺動模塊，使聚焦光斑在焊接頭移動的情況下產(chǎn)生螺旋線式的焊縫[13]。當聚焦焦距相同時，扭轉(zhuǎn)角度越大，則擺動幅度越大；扭轉(zhuǎn)角度相同時，聚焦焦距越大，則擺動幅度越大[14]。這就給激光擺動焊接的應用提供了良好的基礎。激光擺動焊接頭能提供光束平面上x,y兩個方向的運動合成，以此得到5種激光擺動下的掃描模式，分別為順時針圓(clockwise，CW)、逆時針圓(counter-clockwise，CCW)、直線、數(shù)字8及無窮大。并且，每種掃描形式下可提供的寬掃描振幅(0.0mm～3.0mm)和掃描頻率(0Hz～300Hz)。

Fig.1 D50 welding head and its five different forms of scanning mode

1.2.2 其它設備 試驗中所用激光器為IPG公司生產(chǎn)的型號為YLS-10000 的光纖激光器，其最大輸出功率為10.0kW，輸出模式為TEM00，連續(xù)輸出，激光波長為1070nm，采用芯徑為0.2mm光纖進行傳輸。

焊接機器人為KUKA KR 60 HA六軸機器人，其額定負載60kg，重復精度不大于0.05mm，最大作用范圍2033mm。焊接過程中通過機器人夾持焊接頭來控制激光的運動軌跡。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗方法 實驗前期，確定優(yōu)化的焊接參量為：激光功率P=5000W，焊接速率vweld=1.8m/min，離焦量Δf=0mm。實驗過程中采用高純氬氣(99.999%)保護，其流量為25L/min。通過依次改變激光擺動焊接參量(掃描模式、掃描頻率、掃描振幅)來研究其對鋁合金氣孔的影響，以此來推斷其對強度等性能的影響。并按所得規(guī)律選取最優(yōu)工藝參量進行實驗，對實驗所得焊縫進行宏觀微觀金相分析、拉伸試驗、焊縫無損檢測等手段進行分析。實驗中，為防光纖被反射光所損傷，焊接過程中激光束偏移試板的法向約5°。

1.3.2 檢測方法 焊后按圖2所示方法取焊縫中心縱截面，觀察氣孔形貌和分布。取100mm等長度焊接試樣沿焊縫縱向采用線切割偏向一側(cè)切開，用水磨砂紙預磨到焊縫中心，進行拋光、腐蝕，用數(shù)碼相機對焊縫縱截面取照，并對照片進行處理。采用Dino-lite Digital Microscope電子顯微鏡觀察焊縫形貌，XJL-03金相顯微鏡觀察焊縫組織，WDW-200E微機控制電子萬能試驗機對其進行力學性能測試，拉伸試樣示意圖如圖3所示。

Fig.2 Sampling method of porosity

Fig.3 Selection method of tensile specimen and metallographic sample

定義氣孔率δ為焊縫截面氣孔面積Ap與截面總面積的比值Aw，即：

(1)

使用ImageJ軟件處理自動計算焊縫截面氣孔率，軟件處理效果如圖4所示。實驗中均用此方法來定量測量并比較焊縫氣孔率。

Fig.4 Comparison of process effect

a—the original weld cross section b—the processed weld cross section by ImageJ

2 實驗過程與結(jié)果

2.1 不同掃描模式對鋁合金氣孔的影響

固定掃描頻率300Hz、掃描振幅3.0mm，對不同掃描模式進行實驗。圖5所示的是不同掃描方式下焊縫截面氣孔分布圖。圖6為不同掃描模式下的氣孔率曲線。由此可知，單激光時所得焊縫存在相當多的氣孔，其中焊縫下部多為匙孔失穩(wěn)造成的工藝性氣孔，上部多為氫氣孔。當加入擺動之后，由于擺動的激光束對熔池不斷地攪拌，使得熔池流動速率增大，增強了熔池的對流行為，有利于氣泡的上??；同時激光的擺動過程起到了焊前預熱焊后緩冷的作用[15]，對已處于凝固階段的焊縫有重熔的作用，此時熔池的凝固速率降低，給予了氣泡更多的上浮逸出時間；另一方面激光熱源的擴展，使得熔池的面積增大，深寬比相較于傳統(tǒng)激光焊有所減小，激光匙孔更為穩(wěn)定[16]。

Fig.5 Longitudinal section of the weld in different scanning modes

a—CW scanning mode and porosity 0.7% b—CCW scanning mode and porosity 1.1% c—figure 8 scanning mode and porosity 0.6% d—linear scanning mode and porosity 3.2% e—infinity scanning mode and porosity 0.5% f—single laser scanning mode and porosity 8.6%

Fig.6 Porosity curve under different scanning modes

在激光擺動焊接的情況下，由于直線模式下由于熔池在光束擺動的帶動下運動，在焊縫兩側(cè)折返時速度突變?yōu)榱?，此時熔池狀態(tài)不穩(wěn)定失穩(wěn)形成氣孔。因此，除了直線掃描模式下仍存在少量氣孔，其它模式下均實現(xiàn)基本消除氣孔。

2.2 不同掃描頻率對焊縫氣孔率的影響

由上可知，除直線掃描模式下氣孔率較高外，其余幾種焊縫截面氣孔均較少，并且以無窮大模式下為最少(0.5%)。因此，固定掃描模式無窮大，掃描振幅3.0mm，對不同掃描頻率進行以下實驗。圖7為不同掃描頻率下的焊縫截面氣孔形貌及氣孔率。相應的氣孔率曲線圖如圖8所示。在高頻掃描(高于150Hz)時，焊縫的深寬比不斷減小，激光匙孔更加穩(wěn)定，同時更有利于氣泡的上浮溢出。同時掃描頻率的提高意味著光束在垂直于焊縫方向速率越快，如該試驗中頻率為300Hz時，在垂直于焊縫方向光束的運動速率為600mm/s，而頻率為50Hz時,速率僅為100mm/s，光束在沿著焊縫方向速率均為30mm/s，垂直方向速率越高，光斑在水平與垂直方向的重疊率都得到提高，使得光束對熔池的攪拌以及熔池的對流作用增強，氣孔產(chǎn)生傾向也更小[17]。

Fig.7 Longitudinal section of the weld in different scanning frequency

a—0Hz and porosity 8.6% b—50Hz and porosity 6.8% c—100Hz and porosity 3.5% d—150Hz and porosity 1.2% e—200Hz and porosity 0.6% f—250Hz and porosity 0.7% g—300Hz and porosity 0.5%

Fig.8 Porosity curve under different scanning frequency

可知，焊縫氣孔數(shù)量隨著激光掃描頻率的增大顯著減小，當掃描頻率高于200Hz時，獲得了基本無明顯可見氣孔的優(yōu)良焊縫。

2.3 不同掃描振幅對氣孔率的影響

固定掃描模式為無窮大、掃描頻率300Hz，對不同掃描振幅進行以下實驗。圖9為不同掃描頻率下的焊縫截面形貌及對應氣孔率。相應的氣孔率曲線圖如圖10所示?？芍?，焊縫氣孔數(shù)量隨著激光掃描振幅的增大顯著減小，當掃描振幅大于2.0mm時候，獲得了無明顯可見氣孔的優(yōu)良焊縫。

當掃描振幅大于2.0mm時，焊縫的深寬比不斷減小，激光匙孔更加穩(wěn)定，同時更有利于氣泡的上浮溢出[18]。同時較寬的振幅由于光束能量被嚴重削減，光束雖并未形成熔池，但大幅降低了焊縫的冷卻速率，延長了焊縫凝固時間，也為氣泡的溢出創(chuàng)造了有利的條件[19]。

Fig.9 Longitudinal section of the weld in different scanning amplitude

a—0mm and porosity 8.6% b—0.5mm and porosity 11.0% c—1.0mm and porosity 9.7% d—1.5mm and porosity 3.7% e—2.0mm and porosity 0.5% f—2.5mm and porosity 0.2% g—3.0mm and porosity 0.4%

Fig.10 Porosity curve under different scanning amplitude

3 驗證實驗分析

根據(jù)上述規(guī)律，可知6.0mm厚5183鋁合金對接最佳掃描參量：掃描模式為無窮大，掃描頻率300Hz，掃描振幅3.0mm；激光功率P=5000W，焊接速率1.8m/min。實驗獲得焊縫正面、背面及截面形貌如圖11所示。可知，較傳統(tǒng)激光焊而言，激光擺動焊接下的鋁合金焊縫外觀形貌顯著改善，飛濺、咬邊等缺陷顯著較少。

Fig.11 Front, back and cross-sectional of the weld

將實驗試板焊縫處進行無損檢測分析。圖12為X射線檢測結(jié)果。此焊縫內(nèi)部基本無氣孔存在，焊縫評級為一級焊縫。

Fig.12 X-ray inspection of the joint

在焊后試板上取3組標準拉伸試樣進行拉伸實驗并取平均值。實驗結(jié)果表明，焊縫接頭的抗拉強度均值為271MPa，約為母材的88%，接頭斷裂于焊縫處，如圖13所示。

Fig.13 Tension sample

4 結(jié) 論

(1)在不同掃描形式下，激光擺動焊接法能顯著減少氣孔產(chǎn)生。除在直線掃描形式下仍存在少量氣孔外，其余4種(CW、CCW、數(shù)字8和無窮大)掃描形式可實現(xiàn)無明顯氣孔。

(2)隨著掃描頻率和掃描振幅的提高，氣孔傾向顯著越小。當掃描頻率大于200Hz及掃描振幅大于2.0mm時，能得到無明顯氣孔的優(yōu)良焊縫。

(3)6.0mm厚5183鋁合金對接最優(yōu)掃描工藝為掃描模式為無窮大，掃描頻率300Hz，掃描振幅3.0mm，此參量下能得到內(nèi)部無氣孔、抗拉強度271MPa、為母材強度88%的優(yōu)良對接接頭。

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