基于響應(yīng)面法的6013鋁合金單模光纖激光焊接工藝及性能研究

王程昊，張本順，趙昀，李啟明，劉雨，沈言

摘要：選用2 mm 6013鋁合金板材進(jìn)行單模光纖激光焊接工藝試驗，構(gòu)建以激光功率、焊接速度、離焦量為輸入變量，正背熔寬、背寬比和熔合區(qū)截面積為輸出變量的3D響應(yīng)面模型，模型具備顯著性，且擬合良好。分析工藝參數(shù)變化對焊接接頭幾何特征的影響規(guī)律，并對典型焊縫進(jìn)行了顯微組織及力學(xué)性能分析。結(jié)果表明，激光功率與背面熔寬、背寬比及熔合區(qū)截面積變化呈正相關(guān);焊接速度與輸出變量均呈負(fù)相關(guān);離焦量與正面熔寬及熔合區(qū)截面積變化呈正相關(guān)，與背寬比變化呈負(fù)相關(guān)。在背寬比回歸模型中，激光功率與離焦量存在明顯的交互作用。單模光纖激光可在低功率、高焊速的工藝匹配下實現(xiàn)2 mm 6013鋁合金全熔透，且焊接接頭截面熔寬更窄，微觀晶粒尺寸小，其抗拉強度和斷面延伸率分別為315.5 MPa和12.3%，可達(dá)到母材的90%和42%。

關(guān)鍵詞：單模光纖;響應(yīng)曲面法;焊縫成形;組織性能

中圖分類號：TG456.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）10-0094-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.16

0? ? 前言

6013鋁合金由美國鋁業(yè)公司研制，由于控制了Cu、Mn的含量，其強度高于其他6xxx鋁合金，耐蝕性高于7xxx鋁合金，因此在軍用、民用制造領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。激光焊接技術(shù)以其較高的能量密度、加工精度和自動化程度，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效、精密連接，具有許多其他熔焊方法無法比擬的優(yōu)越性[2]。近年來，隨著激光設(shè)備與束源的不斷發(fā)展，光纖激光器以其柔性化傳輸方式和較高的光束質(zhì)量已逐步在焊接加工領(lǐng)域得到應(yīng)用推廣。光纖激光束源中，一般芯徑較大，可以傳播多個模式的光纖稱為多模光纖;當(dāng)芯徑縮小至只剩下基模傳播的模式被稱為單模光纖[3]。相較于多模光纖，同等功率的單模激光經(jīng)過相同的光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，在焦點處的作用面積更小，能量分布更為集中。隨著設(shè)備輸出功率逐步提高，單模光纖激光的應(yīng)用從金屬薄板高速焊接、切割和打標(biāo)等領(lǐng)域向激光修復(fù)[4]、多光點焊[5]、窄間隙填絲焊[6]以及異質(zhì)材料連接[7]等工藝領(lǐng)域拓展。由于峰值強度和光束質(zhì)量較高，單模激光可能與其他束源在焊縫成形效果和焊接加工效率等方面產(chǎn)生差異[8]，值得進(jìn)一步研究。

激光焊接過程中，激光功率、焊接速度、離焦量等工藝參數(shù)直接影響焊縫成形效果。在試驗設(shè)計中，響應(yīng)曲面法結(jié)合了正交試驗和回歸分析的優(yōu)勢，用多項式函數(shù)關(guān)系擬合因素與響應(yīng)值的關(guān)系，建立3D響應(yīng)面模型，可直觀分析因素交互作用。目前，響應(yīng)曲面法已被應(yīng)用于電弧增材、攪拌摩擦焊、激光焊過程的焊縫成形及力學(xué)性能優(yōu)化的研究[9-11]，但有關(guān)工藝參數(shù)對6013鋁合金單模光纖激光焊焊縫成形的影響研究還未見報道。因此，文中對基于響應(yīng)面法的6013鋁合金單模光纖激光焊進(jìn)行工藝試驗，并結(jié)合焊縫成形效果和接頭組織性能進(jìn)行分析。

1 試驗

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗材料為6013-T4態(tài)鋁合金，尺寸200 mm×

200 mm×2 mm，其化學(xué)成分如表1所示。試驗用激光器是中科先為的CorePower-1200-CW-1080-SM中高功率單模連續(xù)光纖激光器，采用FANUC Robot M-710ic70機(jī)器人帶動BIMO II-VI HIGHYAG激光加工頭，實現(xiàn)光束在工件表面的移動，激光設(shè)備參數(shù)如表2所示。

1.2 試驗方法

工藝試驗采用表面堆焊，焊接方向垂直于母材軋制方向，其過程如圖1所示。為防止激光在鋁合金表面逆光路反射損壞設(shè)備，焊接時激光頭入射角偏轉(zhuǎn)10°。采取正面15 L/min、背面20 L/min兩路純氬氣保護(hù)。焊后截取并制作金相試樣，測量焊接接頭截面正面熔寬（Tw）、背面熔寬（Rw）、背寬比（Rw/Tw）及熔合區(qū)截面積（Fa），如圖2所示。選取部分焊縫進(jìn)行顯微組織分析和力學(xué)性能測試。

1.3 試驗設(shè)計

影響焊縫成形的主要工藝參數(shù)有激光功率（P）、焊接速度（v）以及離焦量（d）。根據(jù)前期單變量工藝試驗的結(jié)果設(shè)置因素水平，能夠?qū)崿F(xiàn)全熔透且焊縫成形較好的工藝范圍大致是：激光功率900～

1 100 W，焊接速度1.2～2.4 m/min，離焦量-2～0 mm。通過Design-expert軟件對參數(shù)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，即設(shè)第i個變量Ti的變化范圍是[T1，T2]，中間點T0和區(qū)間半長Δi可以通過式（1）、式（2）計算得到，各值如表3所示。

采用中心復(fù)合設(shè)計（Central Composite Design，CCD）的方法，每個因素取5個水平，以（0，±1，±a）編碼，3因素條件下，a值取1.682，保證設(shè)計具有旋轉(zhuǎn)性和通用性，由此得到的因素水平及編碼如表4所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 回歸模型

根據(jù)Design-expert響應(yīng)面設(shè)計模塊制定試驗方案，以隨機(jī)方式排列試驗順序避免系統(tǒng)誤差，焊接試驗參數(shù)及測量結(jié)果如表5所示。

在Design-Expert軟件Analysis模塊下采用系統(tǒng)推薦的模型進(jìn)行逐步回歸，排除對響應(yīng)作用不顯著的因素?；貧w模型的方差分析和回歸方程如表6、表7所示，方差分析中Pr>F值大于0.05視為影響不顯著，不大于0.05視為影響顯著，不大于0.01視為影響極顯著，為確保模型精確性，應(yīng)在模型中從高次項到低次項剔除Pr>F值大于0.05的因素。四個回歸模型的概率Pr>F值均小于0.01，這代表模型會因為噪聲而導(dǎo)致方差變大的可能性極小，擬合精度較好。正面熔寬、背寬比以及接頭熔化截面積模型的失擬項概率Pr>F均大于0.05，即在被研究的整個回歸區(qū)域內(nèi)擬合較好;背面熔寬模型的失擬項顯著，是由于未熔透的焊接接頭背面熔寬均定義為0造成的。

2.2 響應(yīng)面圖形分析

（1）正面熔寬模型分析。

正面熔寬模型如圖3所示?？梢钥闯觯嫒蹖扵w隨焊接速度v的增大而減小，減小幅度逐漸放緩;隨著離焦量的增大，激光聚焦位置逐漸上移至板材上表面，因此正面熔寬略有增大。在此模型中，焊接速度與離焦量無明顯交互作用，在低焊接速度、大離焦量（1.2 m/min、0 mm）條件下，熱輸入較大，且聚焦位置靠近板材上表面，加劇小孔上部的金屬汽化，帶動熔融金屬向兩側(cè)溢流，產(chǎn)生較大的正面熔寬。

（2）背面熔寬模型分析。

背面熔寬模型如圖4所示，背面熔寬Rw與激光功率P呈正相關(guān)，與焊接速度v呈負(fù)相關(guān)。在此模型中，激光功率與焊接速度無明顯交互作用，由于背面熔寬反映小孔底部熱作用的強弱，因此在高激光功率（1 100 W）配合低焊接速度（1.2 m/min）時，激光功率密度及熱輸入較大，小孔內(nèi)金屬蒸發(fā)強烈，底部熱源作用明顯，從而產(chǎn)生較大的背面熔寬。

（3）背寬比模型分析。

背寬比可表征焊接的穿透性和熱源作用的情況，同時也能揭示深熔焊過程中小孔的穩(wěn)定性[12]。背寬比模型如圖5所示，由圖5a可知，背寬比（Rw/Tw）同激光功率P呈正相關(guān)，與焊接速度v、離焦量d呈負(fù)相關(guān)。由圖5b可知，激光功率和離焦量存在交互作用，離焦量為-2 mm時，激光功率變化對背寬比影響極小;離焦量為0時，背寬比隨著激光功率的增大而增大。分析原因是當(dāng)離焦量為-2 mm時，激光作用在工件上表面的光斑面積相對較大，隨著激光功率的增大，功率密度提升的幅度較小，因此背寬比變化不明顯;當(dāng)離焦量為0時，工件上表面光斑面積相對較小，隨著激光功率的增大，功率密度提升的幅度較大，小孔內(nèi)材料蒸發(fā)增強，背面開口增大，背面熔寬和背寬比增大。

由圖5c可知，激光功率為900 W時，背寬比隨著離焦量的增大而下降;激光功率為1 100 W時，背寬比隨著離焦量的增大略有增加?？梢姰?dāng)激光功率處在較低水平時，作用在工件上的熱輸入有限，隨著焦平面的上移，小孔下部材料汽化作用降低，背面開口減小，背面熔寬下降;當(dāng)激光功率處在較高水平時，金屬蒸汽在小孔中作用強烈且穩(wěn)定，因此在試驗范圍內(nèi)對焦點變化不敏感。由圖5d、5e可知，背寬比響應(yīng)最小值出現(xiàn)在低激光功率（900 W）配合高離焦量（0 mm）條件下，響應(yīng)最大值出現(xiàn)在高激光功率（1 100 W）配合高離焦量（0 mm）條件下。

（4）熔合區(qū)截面積模型分析。

熔合區(qū)截面積模型如圖6a所示，熔合區(qū)截面積與焊接速度v呈負(fù)相關(guān)，與激光功率P和離焦量f呈正相關(guān)。在其他工藝參數(shù)不變的條件下，離焦量從負(fù)到零對應(yīng)著作用在工件上表面的激光功率密度逐漸增大，小孔內(nèi)部材料熔化、汽化加快，熱輻射、對流加強，因此熔合區(qū)截面積增大;觀察圖6b～圖6e可以發(fā)現(xiàn)，激光功率與焊接速度（P/v）同離焦量與焊接速度（P/d）的響應(yīng)曲面以及輪廓圖相似，最大響應(yīng)值分別出現(xiàn)在最大激光功率（1 100 W）或最大離焦量（0 mm）配合最小焊接速度（1.2 m/min）的工藝參數(shù)情況下。分析圖6c、圖6e輪廓圖可知，隨著激光功率和離焦量的增大，激光功率密度提升并且聚焦位置靠近工件表面，在金屬蒸汽作用下小孔快速形成，熔池金屬對流較快，因此熱對流加速，導(dǎo)致熔合區(qū)截面積略有增加，而熱輸入仍是影響熔合區(qū)截面積的主要因素，因此隨著焊接速度的增大，熱輸入減小，熔合區(qū)截面積下降。

2.3 顯微組織及力學(xué)性能分析

取表5中第10、12、14組焊接試板進(jìn)行組織分析及力學(xué)性能測試，焊接接頭過渡區(qū)微觀組織如圖7所示，母材區(qū)域有少量彌散分布的時效強化相，熱影響區(qū)局部析出共晶組織。在熔合線附近，柱狀晶組織與母材聯(lián)生結(jié)晶外延生長。溶質(zhì)偏析導(dǎo)致未凝固液相溶質(zhì)濃度升高，成分過冷增大，晶體以柱狀樹枝晶形式向熔池內(nèi)部生長。激光功率越小，熱輸入越小，柱狀晶區(qū)晶粒尺寸來不及長大，且向焊縫中央生長的指向性越好。焊接速度越小，熱輸入越大，背寬比越大，熱影響區(qū)及共晶組織越寬。

焊縫硬度測試結(jié)果如圖8a所示，焊接接頭硬度呈“ U ”形分布，母材區(qū)硬度值最高，從母材區(qū)到焊縫中央，硬度逐漸降低。這是因為在激光快速加熱時，形成的小孔伴隨著金屬蒸汽劇烈的蒸發(fā)和汽化，Mg等低沸點元素?zé)龘p;焊縫冷卻凝固時，大量的溶質(zhì)元素偏析，因此時效后析出的強化相減少，出現(xiàn)接頭軟化現(xiàn)象。焊接速度越小，熱輸入越高，接頭軟化程度和范圍越大。接頭拉伸性能測試結(jié)果如圖8b所示，拉伸試樣均斷在焊縫，焊接接頭抗拉強度能達(dá)到母材的79%～90%，斷后延伸率能到達(dá)母材的28%～42%。其中，第12組焊接參數(shù)為低功率、高焊速的匹配關(guān)系，焊縫區(qū)及軟化區(qū)更窄，晶粒更細(xì)小，主要強化元素?zé)龘p少，其抗拉強度達(dá)到315.5 MPa，斷面收縮率為 12.3%，力學(xué)性能優(yōu)于其他兩組。

3 結(jié)論

（1）基于響應(yīng)面法建立了6013鋁合金單模光纖激光自熔焊接頭截面幾何參數(shù)（正背熔寬、背寬比以及熔合區(qū)截面積）與工藝參數(shù)（激光功率、焊接速度和離焦量）之間的回歸模型，模型具備顯著性，且擬合良好。除背面熔寬回歸方程為線性方程，其余回歸方程皆為修正的多元二次方程。

（2）分析得到了不同工藝參數(shù)對焊縫幾何尺寸的影響規(guī)律：激光功率對正面熔寬影響不顯著，與背面熔寬、背寬比及熔合區(qū)截面積變化呈正相關(guān);焊接速度和四個焊縫特征值均呈負(fù)相關(guān);離焦量對焊縫背面熔寬影響不顯著，與正面熔寬及熔合區(qū)截面積變化呈正相關(guān)，與背寬比變化呈負(fù)相關(guān)。在背寬比回歸模型中，激光功率與離焦量存在明顯的交互作用，背寬比較大值出現(xiàn)在低激光功率配合低離焦量和高激光功率配合高離焦量工藝條件下。

（3）單模光纖激光在較高焊接速度和較低熱輸入的工藝條件下，能實現(xiàn)2 mm 6013鋁合金板全熔透，且焊接接頭熔寬窄，晶粒細(xì)小。其抗拉強度和斷面延伸率分別為315.5 MPa和12.3%，達(dá)到母材的90%和42%。

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