電力設(shè)備用鋁合金激光填絲焊接工藝研究

馬 恒，何 衛(wèi)，王利民，柯定芳，湯 超，高義波，吳 昊

(1.浙江華電器材檢測(cè)研究所有限公司，浙江 杭州 310015；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北 武漢 470004)

鋁合金在電力領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，除傳統(tǒng)作為導(dǎo)體材料的1×××系純鋁、6×××系鋁合金、8×××系鋁合金外，有一些強(qiáng)度更高的鋁合金也正被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)建設(shè)中。于瀟等[1]介紹了一種強(qiáng)度較高的Al-Mg合金搶修塔，由于鋁合金質(zhì)量輕、耐腐蝕性好等特性，成為制造電力設(shè)備的理想材料。陳燦文等[2]通過(guò)對(duì)一種新型鋁合金電纜支架的性能試驗(yàn)、荷載分析，表明了鋁合金材料在電纜支架工程中有好的適用性。強(qiáng)度較高的鋁合金結(jié)構(gòu)件在節(jié)能、環(huán)保、輕質(zhì)方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)[3]，現(xiàn)已在輸配電線路中得到應(yīng)用。然而，電力設(shè)備用鋁合金在使用過(guò)程中存在著諸多的焊接場(chǎng)合，例如焊接是變電站鋁合金管型母線的主要安裝方式[4]，其焊接接頭質(zhì)量對(duì)輸變電設(shè)備的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

激光焊接具有焊縫的深寬比大、能量密度高、焊接效率高、高度自動(dòng)化、便于操控等優(yōu)點(diǎn)。采用激光焊接工藝，可提高焊接速度，使焊縫獲得良好成形與力學(xué)性能，但對(duì)于Al-Mg合金焊接的激光功率要求高、焊縫易產(chǎn)生氣孔、凹陷和咬邊等成形不良問(wèn)題[5-6]。目前，電力設(shè)備用鋁合金的焊接主要采用電弧焊，焊接熱輸入量大、效率低，焊后變形也較大，而對(duì)于激光焊接方式的研究較少。本文作者針對(duì)一種電力設(shè)備用鋁合金，采用激光填絲焊焊接工藝實(shí)施了焊接試驗(yàn)，研究了不同焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形效果的影響，從而提出最佳的焊接工藝參數(shù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

母材采用電力設(shè)備用的一種鋁合金材料，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：0.2～0.8Mg，0.5～1.0Si，0.15～0.4Cu，0.2～0.7Fe，0.1～0.3Cr，余量為Al。采用直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)，焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：4.4～5.5Mg，0.25Si，0.4Fe，0.1Cu，0.1Zn，0.05～0.2Mn，0.05～0.2Cr，0.06～0.2Ti，余量為Al。

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)用激光器為IPG-4000W光纖激光器，激光光斑半徑0.3 mm，激光器波長(zhǎng)1.06 μm，激光焊接頭采用Precitec YW50激光焊接頭。所用的機(jī)器人為ABB IRB4400/60五軸機(jī)器人，額定負(fù)載60 kg，重復(fù)精度0.07 mm?；『鸽娫礊镕ronius TPS-400i逆變焊機(jī)電源，配有高精度送絲系統(tǒng)，該逆變電源可實(shí)現(xiàn)電流-電壓-送絲速度一元化參數(shù)調(diào)節(jié)，因此僅示以電弧電流表征電弧參數(shù)[7]。鋁合金焊接試驗(yàn)板尺寸3.1 mm×43 mm×100 mm，進(jìn)行試板對(duì)接激光拼焊試驗(yàn)。由于鋁合金表面存在自然氧化膜，焊接前使用鋼絲刷清理工件表面后，用丙酮擦拭去除油污。激光焊接過(guò)程中采用零離焦量，激光偏向焊接方向8°，以避免板材的高反射。保護(hù)氣體為純氬氣，流量1.2 m3/h。

用線切割機(jī)對(duì)上述焊接得到的接頭進(jìn)行取樣。切取的金相試樣用XQ-2B鑲樣機(jī)制樣完成后，在YMP-2B金相試樣磨拋機(jī)上分別使用600、800、1200、1500目砂紙磨光并拋光。試驗(yàn)樣品經(jīng)過(guò)現(xiàn)配凱勒試劑(6 mL HNO3, 2 mL HF, 92 mL H2O)腐蝕15 s，再用純凈水沖洗并吹干，之后放置于LWS-LWD300LMDT金相顯微鏡上，觀察50、200及500倍情況下的顯微組織圖像。采用DHV-1000顯微硬度計(jì)進(jìn)行焊接頭的硬度測(cè)試，設(shè)定的加載力為1.96 N，加載時(shí)間15 s。對(duì)切取的力學(xué)性能試樣的室溫拉伸性能測(cè)試依據(jù)GB/T 228-2002進(jìn)行，并對(duì)測(cè)試結(jié)果取平均值，試驗(yàn)機(jī)為美特斯拉伸試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)CMT5105)，拉伸速率為1 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

焊接試驗(yàn)中的焊接速度、激光功率如表1所示。當(dāng)功率小于2.4 kW時(shí)，激光無(wú)法熔化母材；激光功率為2.4 kW時(shí)焊板剛好熔化但焊不透；激光功率為2.5 kW時(shí)剛好焊透，但有較大下塌量；激光功率3 kW時(shí)能夠焊透，成形比2.5 kW的更加均勻，但由于熱輸入較大，焊縫下塌更多。因此，可認(rèn)為2.5 kW是本試驗(yàn)的鋁合金板材形成良好焊接接頭的閾值功率。

表1 激光功率和焊接速度對(duì)焊縫表面成形的影響

本試驗(yàn)分別選取激光功率2.5 kW和3 kW進(jìn)行了多組焊接速度的對(duì)比試驗(yàn)。從圖1和圖2所示出的焊縫截面可以看出，當(dāng)激光功率為2.5 kW時(shí)，焊接速度為13.33 mm/s時(shí)焊縫有很大下塌量、熔寬較大；焊接速度為16.67 mm/s時(shí)焊縫成形良好；焊接速度為20 mm/s時(shí)未焊透。因此，在2.5 kW激光功率下，焊接速度的可調(diào)范圍很窄。當(dāng)激光功率為3 kW時(shí)，隨著焊接速度的增大，焊縫上部下塌量和下部下陷量逐步減少，能夠保證焊透以形成良好接頭的最大焊接速度為40 mm/s，此焊接速度下成形較好、下塌量與下陷量都較少。此外，激光功率為3 kW時(shí)，可焊速度窗口要比2.5 kW時(shí)寬很多，焊接速度可以加快一倍。

圖1 激光功率2.5 kW時(shí)不同焊接速度的焊縫截面圖

圖2 激光功率3 kW時(shí)不同焊接速度的焊縫截面圖

表2列出了激光功率分別為2.5 kW和3 kW時(shí)，不同焊接速度下的焊縫成形數(shù)據(jù)。隨著焊接速度增大，下塌量、下陷量均得到減少。當(dāng)激光功率3 kW、焊接速度40 mm/s時(shí)，下陷量和下塌量分別為0.5 mm和0.6 mm；當(dāng)激光功率2.5 kW、焊接速度16.67 mm/s時(shí)，下陷量和下塌量分別為0.5 mm和0.9 mm。就焊縫成形而言，在上述兩組工藝參數(shù)下的下塌量和下陷量都較小，故可認(rèn)為是本試驗(yàn)研究中成形較好的激光拼焊參數(shù)。

表2 激光功率2.5 kW和3 kW時(shí)焊縫成形參數(shù)

使用新配制的凱勒試劑腐蝕后得到的焊縫組織如圖3和圖4所示。焊縫邊緣為柱狀晶組織，焊縫中心是等軸晶組織?？拷X合金母材一側(cè)熱影響區(qū)的晶粒呈明顯的長(zhǎng)大現(xiàn)象，且熱影響區(qū)的平均寬度約為200 μm，該熱影響區(qū)晶粒組織為柱狀晶，向母材方向生長(zhǎng)[8]。由于激光焊接的高焊接速度、高冷卻速度，形成了大溫度梯度，焊縫邊緣柱狀晶較多，且焊接速度越大，焊縫中柱狀晶越多，不利于晶粒細(xì)化[9]。

圖3 激光功率3 kW、焊接速度16.67 mm/s時(shí)焊縫組織

圖4 激光功率3 kW、焊接速度35 mm/s時(shí)焊縫組織

焊縫的抗拉強(qiáng)度和硬度直接反映了焊接接頭的質(zhì)量，使用鋼絲刷將激光焊接后的焊板進(jìn)行打磨，再使用線切割機(jī)加工成厚度為3.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。表3列出了各激光焊接工藝參數(shù)下焊縫的抗拉強(qiáng)度數(shù)值。與母材抗拉強(qiáng)度365.2 N/mm2相比，當(dāng)激光功率3 kW、焊接速度40 mm/s時(shí)抗拉強(qiáng)度為201.3 N/mm2，當(dāng)激光功率2.5 kW、焊接速度16.67 mm/s時(shí)抗拉強(qiáng)度為210.5 N/mm2，分別達(dá)到母材的57.7%和60.4%，這樣的強(qiáng)度值與焊縫成形效果一致，都是剛好焊透而且下塌量最少的。焊縫下塌會(huì)導(dǎo)致有效受拉面積減少，拉應(yīng)力變?yōu)榧魬?yīng)力，使得抗拉強(qiáng)度下降。

表3 不同激光焊接工藝下焊縫的抗拉強(qiáng)度

圖5示出激光焊接焊縫中部從左往右的橫向硬度分布。焊縫區(qū)硬度為75 HV～100 HV，且呈現(xiàn)出明顯的硬度梯度，焊縫中心的硬度低于母材的，離開(kāi)中心的焊縫兩側(cè)存在一定區(qū)域的熱影響區(qū)。究其原因，焊接過(guò)程中焊縫區(qū)金屬中Si元素傾向于往鋁合金母材一側(cè)熱影響區(qū)擴(kuò)散，產(chǎn)生了一定程度的固溶效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致硬化現(xiàn)象[4, 10]。

圖5 激光焊縫橫截面的顯微硬度分布

3 結(jié) 論

1)選用ER5356鋁合金焊絲對(duì)電力設(shè)備用鋁合金進(jìn)行激光焊接試驗(yàn)得到焊接閾值功率為2.5 kW，隨著焊接速度增大，焊縫上部下塌量和下部下陷量逐漸減少，能夠保證焊透以形成良好接頭。

2)靠近鋁合金母材一側(cè)熱影響區(qū)的晶粒呈明顯長(zhǎng)大現(xiàn)象，為向母材方向生長(zhǎng)的柱狀晶組織。由于激光焊接的高焊接速度、高冷卻速度，形成了大的溫度梯度，焊縫邊緣柱狀晶較多，且焊接速度越大，焊縫中柱狀晶越多。

3)與母材抗拉強(qiáng)度365.2 N/mm2相比，當(dāng)激光功率3 kW、焊接速度40 mm/s時(shí)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為201.3 N/mm2，當(dāng)激光功率2.5 kW、焊接速度16.67 mm/s時(shí)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為210.5 N/mm2，分別達(dá)到母材的57.7%和60.4%，且焊縫區(qū)硬度呈現(xiàn)明顯的梯度分布。