A7N01P-T4鋁合金激光－電弧修復(fù)工藝研究

毛鎮(zhèn)東，馬寅，韓曉輝，徐力棟，閆秀林

?

A7N01P-T4鋁合金激光－電弧修復(fù)工藝研究

毛鎮(zhèn)東1，馬寅1，韓曉輝1，徐力棟2，閆秀林2

（1.中車青島四方機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）

為研究高速列車鋁合金車體修復(fù)新工藝，采用激光窄間隙焊接技術(shù)對15 mm厚的A7N01P-T4鋁合金MIG焊接頭進行模擬修復(fù)，通過分析各工藝參數(shù)對焊縫成型的影響，優(yōu)化參數(shù)組合。試驗結(jié)果表明，laser＝4 kW、weld＝0.48 m/min、wire＝2 m/min、gas＝30 L/min時，得到成型良好的焊接接頭，并采用U型槽較好地解決了未熔合問題。

A7N01P-T4鋁合金；激光修復(fù)；焊接

鋁合金作為高速列車車體的主要結(jié)構(gòu)材料，可有效使車體減重，且具有耐蝕性高、比強度高、焊接性好等優(yōu)點[1-3]，其中A7N01鋁合金是通過第二相沉淀進行強化，強度很高，因此被廣泛應(yīng)用于高速列車上，如牽引梁，枕梁等承力結(jié)構(gòu)。在實際工況的作用下，焊接接頭作為結(jié)構(gòu)性能薄弱的區(qū)域可能會因產(chǎn)生裂紋而發(fā)生失效，因此探索在保證列車安全的前提下，對裂紋部位進行修復(fù)將是一種值得研究的方式。與傳統(tǒng)電弧焊補進行比較，激光能夠使能量更加集中，同時具有焊速快和熱影響區(qū)窄等優(yōu)點[4]，可大大減少焊絲金屬填充量、減小熱輸入量、降低結(jié)構(gòu)變形。Y. Durandet等[5]在7075-T6鋁合金表面加工出0.6mm的淺槽，并采用激光熔敷的方式對其表面進行修復(fù)。試驗結(jié)果表明，激光熔覆產(chǎn)生的熔覆層可以填充原有的淺槽，但修復(fù)層焊縫中存在有氣孔和液化裂紋等缺陷。通過將熔覆粉末Al-12Si合金干燥、基材表面的氧化膜去除、并重新優(yōu)化熔覆參數(shù)等措施，缺陷可以被有效抑制。D. Dittrich等在6XXX鋁合金厚板上采取激光超窄間隙焊方法進行焊接，試驗中選用2.5 kW的激光功率，2 mm×3 mm形式的梯形坡口，AlSi12焊絲。通過宏觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)焊縫中產(chǎn)生較多的氣孔缺陷，其中既有工藝型氣孔也有氫氣孔，層間氣孔要略多于層內(nèi)氣孔，需要在進一步的試驗中采用更多抑制氣孔的方式，如加強層間清理，改善窄縫中的保護氣的保護效果。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為高速列車車體底架用的A7N01鋁合金，焊接試板尺寸為225 mm×150 mm×15 mm（長×寬×高），熱處理狀態(tài)為T4（固溶處理＋自然時效）。修復(fù)用焊絲尺寸和牌號與MIG焊接用焊絲一致，為1.6 mm的ER5356焊絲。母材與焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分（wt%）

1.2 試驗方法與設(shè)備

1.2.1 激光修復(fù)工藝參數(shù)與設(shè)備

本文中激光器采用TRUMP碟式激光器（最大輸出功率為10 kW），激光焦距350 mm，光斑直徑為0.3 mm。送絲機構(gòu)采用TransPlus Synergic 4000福尼斯焊機，并與焊絲同軸送氣。為了探索激光修復(fù)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，分別在平板、方型槽和U型槽采用激光填絲的方式進行模擬修復(fù)，研究不同工藝參數(shù)下對焊縫成型尺寸變化的影響，進而獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。

根據(jù)已有的研究表明激光填絲焊中合適的送絲角度為30°～70°[6]，所以本研究中的送絲角度固定為45°。送絲方式為前置送絲，焊絲在激光前方引入，光絲間距為0.2～0.5 mm。激光入射角設(shè)定為10°，焦點位置為零離焦。試驗環(huán)境溫度控制為22～25 ℃，相對濕度控制在50%以下。焊接位置、坡口形式和焊接參數(shù)分別如圖1、圖2、表2所示。

1.2.2 修復(fù)前后接頭組織測試方法

試樣經(jīng)過磨拋后，利用Keller試劑對試樣進行腐蝕后，其體積分數(shù)配比為1%氫氟酸＋1.5%鹽酸＋2.5%硝酸＋95%水。觀察各焊接參數(shù)下試樣表面與熔覆截面形貌，并測量相應(yīng)的熔覆層余高、熔寬、熔深等焊縫尺寸參數(shù)。

圖1 激光填絲平板堆焊的焊接位置參數(shù)

圖2 工藝調(diào)試方型槽尺寸

2 激光修復(fù)工藝研究

2.1 工藝參數(shù)對平板堆焊焊縫成型的影響

首先在鋁合金平板上進行激光填絲堆焊試驗，探索不同激光焊接工藝參數(shù)下焊縫成型的優(yōu)化參數(shù)。

如圖3所示，當(dāng)送絲速度、激光功率和保護氣流量等參數(shù)固定時，焊縫形狀的特征參數(shù)中的熔深、熔寬和余高隨著焊接速度的增加而顯著減小，其中熔深降低最為明顯。尤其當(dāng)weld＝0.6 m/min時，焊縫的熔深接近等于零。當(dāng)焊接速度、送絲速度和保護氣流量等參數(shù)固定時，堆焊層熔深和熔寬隨著激光功率的提高而增加，余高下降。當(dāng)激光功率為3 kW時，熔覆金屬在平板上有較好的潤濕，熔池得到鋪展。當(dāng)焊接速度、激光功率和保護氣流量固定時，堆焊層余高隨著送絲速度的降低而減小，熔深和熔寬略有增加。送絲速度的降低使需要熔化的焊絲減少，熔池得到一定的擴展，焊縫在平板上的潤濕鋪展得到進一步的改善。當(dāng)送絲速度達到2.5 m/min和2 m/min時，堆焊層成型良好，且無明顯的宏觀缺陷。焊接速度、激光功率和送絲速度保持不變時，隨著保護氣流量減少，堆焊層熔寬略有減小，而余高略有增加，但對熔深的影響可以忽略。與之相反，在保護氣流量增加的情況下，熔寬增加、余高降低。說明保護氣能作用于熔池表面，推動熔池在試板上向四周鋪展，但其影響有限。

表2 激光填絲平板堆焊和方型槽中激光修復(fù)工藝參數(shù)

圖3 各工藝參數(shù)對堆焊層成型參數(shù)的影響

在調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)中，激光功率對堆焊層熔寬的影響最大，焊接速度、送絲速度和保護氣流量等參數(shù)的影響較??；對于熔深而言，激光功率和焊接速度的影響較為明顯，送絲速度和保護氣流量影響較??；焊接速度對焊縫余高影響最大，而激光功率、送絲速度和保護氣流量影響并不顯著。上述各組的工藝參數(shù)中g(shù)組的焊縫成型最佳，將作為在窄間隙槽內(nèi)進一步試驗的基礎(chǔ)參數(shù)。

2.2 修復(fù)工藝參數(shù)對窄間隙槽內(nèi)焊縫成型的影響

2.2.1 方型槽中焊縫的成型

如圖4（a）所示，將通過堆焊獲得的最佳工藝參數(shù)在窄間隙槽內(nèi)進行單層焊制時，焊后觀察焊縫發(fā)現(xiàn)其表面凹凸不平，且焊縫分布斷續(xù)，與側(cè)壁熔合情況較差。在此工藝參數(shù)下焊接過程中，熔池像堆焊時那樣鋪展，文獻[7]中發(fā)現(xiàn)窄間隙側(cè)壁對電弧存在約束作用，電弧接觸窄間隙坡口側(cè)壁時會被吸收部分能量。同樣激光在窄間隙槽中產(chǎn)生的等離子體也可能受到側(cè)壁的約束，等離子云與側(cè)壁接觸使得一部分激光能量被側(cè)壁吸收。另外在平板堆焊時，熔池金屬蒸發(fā)時產(chǎn)生的羽煙可向四周擴散，等離子云中顆粒密度較低，對激光的散射作用較小。而在窄間隙槽內(nèi)進行焊接時，受限于兩側(cè)的側(cè)壁，羽煙會被兩側(cè)側(cè)壁所引導(dǎo)而向上擴散，窄間隙槽中顆粒聚集，擴散條件差，對激光的散射作用強，熔池?zé)o法得到足夠的激光能量。而根據(jù)上文平板堆焊中獲得的結(jié)果，激光功率對堆焊層熔寬的影響最顯著，從而造成了平板堆焊和窄間隙槽單層焊制之間成型差異較大。如圖4（b）和（c）所示，焊縫的表面成型和側(cè)壁熔合情況隨著激光功率的增加而得到改善。當(dāng)激光功率達到4 kW時，焊縫上表面近似于一個半圓，在焊縫縱向方向上較為平整，有利于下一道焊縫成型。因此后續(xù)工藝參數(shù)均是在c組的基礎(chǔ)上進行。

圖4 不同激光功率下的焊縫成型

如圖4（c）和圖5所示，隨著焊接速度的降低，焊縫形狀沒有發(fā)生太大變化，但焊縫熔覆量顯著上升，同時底部未熔合現(xiàn)象更加明顯。

如圖4（c）和圖6所示，隨著送絲速度的增加，焊縫熔覆量顯著上升，但熔深也明顯降低，未熔合情況更加嚴重。當(dāng)送絲速度達到3 m/min，焊縫熔深已接近零，未熔合更為明顯，且區(qū)域內(nèi)存在焊渣。

如圖4（c）和圖7所示，增加保護氣流量改善了保護氣對熔池的保護效果，氣孔出現(xiàn)概率降低。與平板堆焊相比，為能伸入窄間隙槽中，焊絲干伸長有所增加，因此相應(yīng)增加了保護氣噴嘴到熔池的距離，保護氣保護效果下降，需要適當(dāng)增加窄間隙槽中的焊接保護氣流量。

通過以上的研究觀察，i組焊縫的成型最佳，被用作最終的激光修復(fù)工藝參數(shù)。需要注意的是，在上述工藝的成型中，在方型槽底部的直角區(qū)域多次出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。窄間隙槽內(nèi)下焊絲位置可能會偏向側(cè)壁某一側(cè)，從而導(dǎo)致另一側(cè)側(cè)壁未熔合[8]。然而，這種原因造成的未熔合缺陷為單側(cè)，本文的未熔合是兩側(cè)對稱出現(xiàn)。如圖8所示，當(dāng)熔池向窄間隙槽的兩側(cè)擴展時，由于鋁合金的熱導(dǎo)系數(shù)較大，可以將熱量快速傳導(dǎo)到母材中，熔池接觸到側(cè)壁時會快速凝固，此時熔池會填充完直角區(qū)域前發(fā)生完全凝固?；谏鲜龇治?，減少未熔合缺陷的可行辦法是將窄間隙槽中直角區(qū)域去除、將方形槽改成U型槽。如圖9所示，通過采用底部半徑為1.5 mm的U型槽和i組工藝參數(shù)，試驗得到了較理想的成型形貌。

圖5 不同焊接速度下的修復(fù)層成型

圖6 不同送絲速度下的修復(fù)層成型

圖7 不同保護氣流量下的修復(fù)層成型

全厚度裂紋模擬修復(fù)的U形槽尺寸如圖10所示。將試樣放置在銅襯墊上采用i組參數(shù)進行施焊，成型接頭的形貌如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)采用此工藝修復(fù)的側(cè)壁和相鄰層道之間的熔合情況良好。

圖8 未熔合形成原因示意圖

圖9 U型槽修復(fù)層 成型形貌

圖10 全厚度修復(fù)的窄間隙槽尺寸圖

圖11 激光修復(fù)接頭截面形貌

3 結(jié)論

（1）在平板上通過調(diào)節(jié)激光工藝參數(shù)，得到了焊縫成型參數(shù)和激光工藝參數(shù)的關(guān)系，激光功率對堆焊層熔寬的影響最大，焊接速度、送絲速度和保護氣流量等參數(shù)的影響較?。?/p>

（2）在平板最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，在方型槽內(nèi)進行施焊，在調(diào)試工藝參數(shù)范圍內(nèi)得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)：laser＝4 kW、weld＝0.48 m/min、wire＝2 m/min、gas＝30 L/min。并且改用U型槽來避免方型槽底部直角區(qū)域出現(xiàn)的未熔合；

（3）采用激光超窄間隙焊的方法得到了成型良好的激光修復(fù)接頭。

[1]劉靜安，王嘉欣. 大型鋁合金型材及其用途[J]. 有色金屬加工，2002，31（3）：40-43.

[2]林順巖，林君，田士. 鋁合金新材料的研制與發(fā)展方向[J]. 鋁加工，2007（1）：29-34.

[3]王旭友，雷振，張健，等. 高速列車6005A-T6鋁合金型材激光－雙絲MIG復(fù)合焊[J]. 焊接學(xué)報，2012，33（7）：9-12.

[4]游德勇，高向東. 激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 焊接技術(shù)，2008，37（4）：5-9.

[5]Durandel Y B M，Liu Q. Challenges of laser cladding Al 7075 alloy with Al-12Si alloy power[J]. Materials Forum，2005（29）：136-142.

[6]李亞江，李嘉寧. 激光焊接/切割/熔覆技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[7]Zhu C, Tang X, He Y, et al. Study on arc characteristics and their influences on weld bead geometry in narrow gap GMAW of 5083 Al-alloy[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，90（9-12）：1-13.

[8]Yu Y C，Yang S L，Yin Y，et al. Multi-pass laser welding of thick plate with filler wire by using a narrow gap joint configuration[J]. Journal of Mechanical Science & Technology，2013，27（7）：2125-2131.

Research on the Laser-Arc Repairing Process of A7N01-T4 Aluminum Alloy

MAO Zhendong1，MA Yin1，HAN Xiaohui1，XU Lidong2，YAN Xiulin2

(1.CSR Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China; 2.Department of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

To research the new technologiesofaluminumalloy body of high-speed trainsrepair, a 15-mm-thick A7N01P-T4 aluminum alloy MIG welding joint was repaired by laser narrow gap welding. The parameterswere optimized by analyzing the effects of processing parameters on weld forming, and the results showed that the parameters arelaser=4 kW，weld=0.48 m/min，wire=2 m/min，gas=30 L/min and the appearance of weld is good. And incomplete fusion was resolved using U-groove.

A7N01P-T4 aluminum alloy；laser repairing；weld

U279.4

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.019

1006－0316 (2018) 12－0067－06

2018－06－27

毛鎮(zhèn)東（1987－），男，浙江江山人，碩士，工程師，主要從事軌道車輛車體焊接工藝研究。