張　威,葉　兵 ,祁小勇,王維新，劉巨峰

(1.激光先進(jìn)制造技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430223；2.武漢華工激光工程有限責(zé)任公司，武漢 430223；3. 湖北三江航天紅陽(yáng)機(jī)電有限公司，孝感 432000)

引　言

鋁合金因具有塑性好、比強(qiáng)度高、比剛度大及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)而成為實(shí)現(xiàn)輕量化的首選[1]。6061鋁合金作為Al-Mg-Si系中強(qiáng)鋁合金的典型代表，被廣泛應(yīng)用于汽車、軌道交通等領(lǐng)域。然而，鋁合金因其特有的性質(zhì)，如線脹系數(shù)大、熱導(dǎo)率高、對(duì)激光反射率高等，導(dǎo)致鋁合金的焊接難度大，焊縫易形成氣孔、裂紋、接頭軟化等缺陷[2-4]。

傳統(tǒng)的熔化極惰性氣體保護(hù)焊，由于其熱輸入大，導(dǎo)致焊后工件形變大，精度難以保證，同時(shí)加工效率低且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[5]；激光焊形變小、焊縫熱影響區(qū)小，但鋁合金對(duì)激光反射率高[6]，同時(shí)要求工件裝配精度高，另外激光焊冷卻速度快，熔池中的氣泡來(lái)不及逸出，焊縫形成氣孔的傾向大。激光-熔化極惰性氣體保護(hù)焊(metal inert gas，MIG)復(fù)合焊充分發(fā)揮了兩種熱源各自的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)激光、電弧間能相互耦合，起到1+1>2的效果[7-9]。有研究表明，光致等離子體能為電弧提供穩(wěn)定的陽(yáng)極斑點(diǎn)，電弧的燃燒而更加穩(wěn)定[10-11]，同時(shí)激光也有壓縮電弧的作用，弧柱直徑在激光加入后顯著減小[12-13]。此外激光焊產(chǎn)生的光致等離子體會(huì)吸收部分激光產(chǎn)生不利影響，電弧加入所釋放的電弧等離子體可抑制該不利影響[14-15]。

本文中選用激光-MIG復(fù)合焊方法對(duì)6061鋁合金實(shí)施焊接，研究在焊接過(guò)程中激光、電弧各自對(duì)材料的作用與二者耦合效果。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究激光與電弧能量分布與焊縫宏觀形貌、內(nèi)部氣孔分布、機(jī)械性能等的相互聯(lián)系與影響規(guī)律，為今后復(fù)合焊接工藝提供方向，也為鋁合金的廣泛工程應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

1.1　焊接設(shè)備與檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)在如圖1所示的多功能焊接平臺(tái)上展開(kāi)。焊接所用激光器為IPG YRL-10000型光纖激光器，焊接頭為普雷茨特(precitec)YW52型焊接頭，焦點(diǎn)處光斑直徑為0.48mm，機(jī)械手型號(hào)為KUKA 60HA。MIG焊機(jī)采用Fronius RCU 5000i數(shù)字化焊機(jī)，該焊機(jī)配備逆變式弧焊電源，可通過(guò)調(diào)用內(nèi)部專家數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)電流-電壓-送絲速度一元化調(diào)節(jié)，在焊接過(guò)程中僅需調(diào)節(jié)送絲速度即可自動(dòng)匹配相關(guān)參量。

Fig.1　Welding platform

本研究中所采用的檢測(cè)方法與設(shè)備主要有：用線切割機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行取樣，得到焊縫截面后磨拋并用凱勒試劑侵蝕，在XTL-400型激光共焦顯微鏡下捕獲焊縫宏觀形貌及微觀組織形貌，并用自帶的VK Analyzer軟件進(jìn)行測(cè)量分析；采用線切割機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的取樣，在WDW3200型微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試接頭的室溫拉伸性能。

1.2　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中所用鋁合金牌號(hào)為6061，規(guī)格150mm×80mm×4mm。填充焊絲為直徑?1.2mm的ER5183型焊絲。試驗(yàn)材料為化學(xué)成分見(jiàn)表1所示。焊前需保證焊材干燥，表面得到清理。

Table 1　Chemical composition of 6061 & ER5183

1.3　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變激光功率來(lái)改變激光能量，能量比即對(duì)應(yīng)的功率比，因此將激光功率記做Pl，電弧功率記做PMIG，能量比η=PMIG∶Pl。試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整焊接速率來(lái)保證總的線能量恒定，首先固定激光功率，改變電弧功率，進(jìn)行一系列能量比試驗(yàn)；再保證電弧功率恒定，改變激光功率再開(kāi)展一系列能量比試驗(yàn)。試驗(yàn)參量如表2所示。

Table 2　Process parameters table of laser-MIG hybrid welding

由于鋁合金暴露在空氣中極易被氧化，在試驗(yàn)前2h內(nèi)完成對(duì)鋁合金板材正反面及側(cè)面的噴砂處理，并在焊接前用丙酮清洗焊接面，以除去油漬。焊接時(shí)候采用體積分?jǐn)?shù)為0.999的氬氣作為保護(hù)氣，焊接過(guò)程示意圖如圖2所示。

Fig.2　Illustration of laser-MIG hybrid welding

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　焊縫截面形貌分析

鋁合金復(fù)合焊接頭組織在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫中心為等軸晶組織[16]。由焊縫截面形貌易看出接頭上部主要受電弧的作用，而下部則主要受激光的影響，由于激光作用區(qū)域與電弧作用區(qū)域二者溫度梯度差異大，導(dǎo)致各自的晶粒大小區(qū)別顯著。激光作用區(qū)域與電弧作用區(qū)域組織的差異必將體現(xiàn)為性能的區(qū)別，故有必要從焊接接頭宏觀形貌上進(jìn)行描述，通過(guò)探索焊縫截面形貌與能量比的關(guān)聯(lián)尋找能量比與焊縫力學(xué)性能的深層次聯(lián)系。將如圖3所示的焊縫形貌關(guān)鍵數(shù)據(jù)測(cè)量后繪制成圖4。

Fig.3Macroscopic morphology and microstructure of hybrid welding joint section

Fig.4Weld width & laser zone width under different energy ratios

由圖4可以看出，焊接接頭的熔寬隨能量比η的增加呈逐漸變寬的趨勢(shì)，但當(dāng)能量比η從0.9增大到1.2的過(guò)程中，表面熔寬已基本穩(wěn)定，增量并不明顯。

當(dāng)電弧功率恒定時(shí)，激光區(qū)寬度的變化規(guī)律大致與激光功率的變化正相關(guān)。當(dāng)激光功率恒定時(shí)，激光區(qū)寬度在能量比η=0.9時(shí)候達(dá)到最大，推測(cè)是電弧功率較小時(shí)，激光與電弧未能有效耦合，隨著電弧功率的加大，試板熱作用明顯，激光的吸收率也更高，但電弧進(jìn)一步加大時(shí)，其所產(chǎn)生的電弧等離子體會(huì)造成“負(fù)透鏡效應(yīng)”，反而使得激光的利用率降低。

電弧區(qū)與激光區(qū)的高度比例隨著能量比的變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖可見(jiàn),整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但當(dāng)能量比處于0.9～1.0范圍內(nèi)時(shí)，曲線斜率明顯減小，能量比由1.0繼續(xù)增大至1.2的過(guò)程中，電弧區(qū)與激光區(qū)高度比反而略有減小。說(shuō)明此時(shí)激光區(qū)的高度增量較電弧區(qū)的高度增量更大，此時(shí)的激光-MIG復(fù)合場(chǎng)中激光占據(jù)主導(dǎo)地位。

Fig.5　Arc zone height and laser zone height under different energy ratios

2.2　焊縫氣孔率分析

由于材料表面及空氣中不可避免的帶有水分，在焊接瞬時(shí)高溫作用下分解為氫原子進(jìn)入熔池，同時(shí)氫的溶解度在凝固過(guò)程中急劇下降，導(dǎo)致焊縫內(nèi)部分布著內(nèi)壁光滑、大小不一的氫氣孔，除了氫氣孔，焊縫中同樣存在由于激光匙孔失穩(wěn)而形成的工藝氣孔。本研究中采用Image J軟件對(duì)焊縫縱截面氣孔率進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中首先對(duì)焊縫縱截面進(jìn)行處理，使得氣孔部分更加清晰易于軟件識(shí)別，具體步驟如圖6所示。

Fig.6　Testing step of porosity

從圖7可以看出，當(dāng)激光功率恒定時(shí)候，氣孔隨著電弧功率的加大而增多，只是在η=0.9時(shí)出現(xiàn)一個(gè)突降，從前述焊縫截面形貌分析看，可能是此時(shí)的激光區(qū)反而增大所致，說(shuō)明了氣孔主要集中在電弧區(qū)。

Fig.7　Porosity under different energy ratios

當(dāng)電弧功率恒定時(shí)候，隨著能量比η的增大，氣孔呈先緩慢減少，后急劇增多的規(guī)律。在η=0.9時(shí)氣孔率僅為1.65%。

2.3　接頭抗拉強(qiáng)度分析

拉伸試驗(yàn)所用設(shè)備為WDW3200型微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)中加載速率為2mm/min。首先對(duì)6061母材的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)3次測(cè)試得到母材的抗拉強(qiáng)度約為351MPa。然后依次對(duì)每組試樣進(jìn)行測(cè)試，抗拉強(qiáng)度如圖8所示。

觀察焊接接頭抗拉強(qiáng)度的曲線，不難發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律基本與氣孔率曲線呈負(fù)相關(guān)，由此可推測(cè)焊接接頭最薄弱的部位為氣孔密集區(qū)，氣孔也是削弱接頭強(qiáng)度的主要因素。

Fig.8　Tensile strength under different energy ratios

拉伸試樣斷后實(shí)物圖如圖9所示。觀察試樣斷裂位置，斷口宏觀無(wú)明顯的塑形變形，斷口平坦。部分端口處可見(jiàn)氣孔，進(jìn)一步證實(shí)了氣孔為接頭薄弱部位。

Fig.9Tensile fracture figure of hybrid welding joint of 6061 aluminium alloy

3　結(jié)　論

(1)激光-MIG復(fù)合焊中，電弧能量與激光能量的比例在0.9～1.0范圍內(nèi)時(shí)，二者之間的耦合效果最好，相互促進(jìn)作用最為強(qiáng)烈。

(2)鋁合金激光-MIG復(fù)合焊中，焊縫上部組織相較于下部組織明顯粗大，且分布著相對(duì)更多的氣孔，是導(dǎo)致復(fù)合焊接頭力學(xué)性能下降的主要因素。

(3)鋁合金激光-MIG復(fù)合焊中，控制電弧能量與激光能量比在0.9附近，輔以合適的工藝條件，能實(shí)現(xiàn)鋁合金的優(yōu)質(zhì)高效焊接，接頭的氣孔率僅為1.65%，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的82.9%。