王健強(qiáng), 趙而遠(yuǎn), 李家曙, 邢 健

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

輕量化作為最直接的、最有效的節(jié)能減排措施,是汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)之一[1]。由于鋁合金具有比強(qiáng)度較高、耐蝕性良好、相對(duì)密度小、可塑性及韌性良好等優(yōu)點(diǎn),目前鋁合金替代鋼材成為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一[2-3]。激光焊接是利用高能量密度激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法,已廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域及汽車制造領(lǐng)域等[4]。鋁合金激光焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到多方面因素的影響,包括鋁合金材料的發(fā)展、激光焊接工藝的成熟度、激光焊接設(shè)備的發(fā)展和激光的發(fā)射形式等[5]。而且鋁合金因其高導(dǎo)熱性及高反射率的特點(diǎn),不能充分利用激光能量,易出現(xiàn)熔深不夠大、力學(xué)性能不滿足工業(yè)生產(chǎn)要求的現(xiàn)象[6]。

鋁合金激光焊在汽車領(lǐng)域能得到廣泛的應(yīng)用,離不開(kāi)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究。文獻(xiàn)[7]研究了激光-MIG電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫的影響,發(fā)現(xiàn)激光電弧的交互作用在一定的焊接工藝條件下有利于增加熔深,負(fù)作用于熔寬的增加;文獻(xiàn)[8]對(duì)不銹鋼激光焊接中激光光束的不同擺動(dòng)方式進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)順時(shí)針環(huán)形、逆時(shí)針環(huán)形、直線形、8字形及無(wú)限符形5種激光光束擺動(dòng)方式焊接均有利于疊焊板結(jié)合面熔寬的增加;文獻(xiàn)[9]對(duì)10 mm厚的A5083鋁合金在不同壓力條件下的激光焊接進(jìn)行了比較研究,得出常壓下熔深為4.9 mm,而10 Pa壓力條件下最大焊接深度可達(dá)8.7 mm;文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)激光功率和焊接速度的單一因素變化的數(shù)值模擬,得出隨著激光功率增大,溫度場(chǎng)升高,熔深和熔寬增大,而隨著焊接速度增大,溫度場(chǎng)降低,熔深和熔寬減小。但目前對(duì)于薄板鋁合金激光焊接的研究較少,且基于正交試驗(yàn)法分析不同工藝參數(shù)對(duì)激光焊接質(zhì)量的影響也鮮有報(bào)道。

為了綜合比較不同工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響,本文采用正交試驗(yàn)法,研究焊接激光功率、焊接速度、激光光束線性擺動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)頻率等因素對(duì)厚度為1.5 mm的鋁合金薄板的焊縫成形及焊接質(zhì)量的影響規(guī)律,旨在為S600鋁合金薄板激光焊接提供一定的參考,有利于汽車輕量化工業(yè)應(yīng)用。

1 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

本試驗(yàn)所用材料為1.5 mm厚的S600鋁合金板,樣片尺寸為40 mm×100 mm,焊前使用有機(jī)溶液清洗樣件表面,用以去除其表面油污,清洗后將樣件置于干燥箱進(jìn)行干燥處理。S600鋁合金樣件中其他金屬元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1所列。

表1 S600鋁合金中其他金屬元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

試驗(yàn)采用KUKA六軸機(jī)器人,其額定負(fù)載60 kg,最大作用范圍為2 033 mm;采用卡門哈斯生產(chǎn)的激光焊接頭,可以控制激光光束沿焊縫線性擺動(dòng);選取C6000X激光發(fā)生器,最大輸出功率為6 kW,激光波長(zhǎng)為(1 080±5) nm,采用芯徑為0.1 mm光纖進(jìn)行傳輸。

焊接板件搭接形式為上層板S600/1.5 mm+下層板S600/1.5 mm,如圖1所示,焊接時(shí)板件夾持如圖2所示。

圖1 板件搭接方式

圖2 板件夾持裝置

1.2 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理方法

為探究不同因素對(duì)焊縫成形及焊接質(zhì)量的影響程度,本文設(shè)計(jì)了三因素三水平正交試驗(yàn),3個(gè)主要因素(激光功率、焊接速度、激光光束線性擺動(dòng)頻率)及其水平見(jiàn)表2所列。

表2 試驗(yàn)因素及水平

根據(jù)試驗(yàn)因素個(gè)數(shù)及各因素水平數(shù),正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3所列。為保證試驗(yàn)時(shí)不受其他可變因素影響,其余試驗(yàn)參數(shù)均保持不變。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)以下參數(shù)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估:

(1) 各因素各水平下的指標(biāo)均值Ki。Ki反映該因素下各水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響狀況。

(2) 各因素平均值的最大差值,即極差R。R值越大,代表該因素對(duì)指標(biāo)的影響越大。

(3) 各因素的方差分析。用于判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響是否顯著(按P=0.05的檢驗(yàn)水準(zhǔn))。

本次正交試驗(yàn)的結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)包括上層板與下層板接合面的熔寬、下層板的熔深、深寬比,并對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行拉力測(cè)試作為焊接質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)正交試驗(yàn)表進(jìn)行激光深熔焊試驗(yàn),每組工藝參數(shù)進(jìn)行3次試驗(yàn),避免出現(xiàn)偶然性因素。本次設(shè)計(jì)試驗(yàn)中,9組工藝參數(shù)共27次試驗(yàn),焊接樣件外觀均良好,且無(wú)背透現(xiàn)象。

對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行切割、預(yù)磨、NaOH溶液浸泡5 min、風(fēng)干等處理,然后利用VMM2.2C視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)處理后的試驗(yàn)樣件進(jìn)行金相觀察,對(duì)每組工藝參數(shù)下的3次試驗(yàn)得到的熔深、熔寬、深寬比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并計(jì)算其平均值,得到的結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4 9組工藝參數(shù)下的熔深、熔寬及深寬比

對(duì)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別計(jì)算同一因素下不同水平的焊接熔深均值K1、K2、K3,并利用Origin繪圖軟件繪制散點(diǎn)圖,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同因素對(duì)焊接熔深的影響

從圖3可以看出焊接熔深隨著激光功率、焊接速度及線性擺動(dòng)頻率變化的趨勢(shì)。當(dāng)激光功率從2 950 W增加到3 250 W時(shí),焊接熔深隨著激光功率的增大而增加;當(dāng)焊接速度從80 mm/s增加至100 mm/s時(shí),熔深隨著焊接速度的增大而減小;當(dāng)激光光束線性擺動(dòng)頻率從80 Hz增加至120 Hz時(shí),對(duì)焊接熔深有一定的反作用,熔深有一定的減小。

計(jì)算各因素下熔深均值的極差R可得:焊接速度的R值最大,為0.253 mm;其次是線性擺動(dòng)頻率的R值,為0.2 mm;焊接功率的R值最小,為0.16 mm。

利用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,所得結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5 不同因素對(duì)焊接熔深的方差分析結(jié)果

由表5方差分析結(jié)果可知,影響因素中焊接速度對(duì)焊接熔深具有顯著性影響(P<0.05)。3個(gè)因素對(duì)焊接熔深的影響大小依次為焊接速度、線性擺動(dòng)頻率、激光功率,這與用極差分析得到的結(jié)果相一致。

利用表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算出同一因素下不同水平的深寬比均值L1、L2、L3,并利用Origin繪制點(diǎn)線圖,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同因素對(duì)焊接樣件深寬比的影響

從圖4可以看出:當(dāng)激光功率從2 950 W增加到3 100 W時(shí),深寬比增加較快,隨后增加至3 250 W時(shí),深寬比略微增加;焊接速度和線性擺動(dòng)頻率對(duì)深寬比的影響趨勢(shì)一致,隨著焊接速度或線性擺動(dòng)頻率的增加,深寬比減小。

計(jì)算各因素下深寬比均值的極值R可得:焊接功率的R值為0.076;焊接速度的R值為0.104;線性擺動(dòng)頻率的R值為0.093。通過(guò)比較可以看出,相較于另外2種因素,激光功率對(duì)試驗(yàn)樣件的深寬比影響最大。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 焊接功率對(duì)焊縫成形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著功率的增加,鋁合金焊接熔深和深寬比會(huì)有相應(yīng)的增加。激光功率增加,激光的能量密度增大,從而熔深增加。激光焊接中存在一個(gè)與工件材料有關(guān)的激光能量密度閾值,只有當(dāng)工件上的激光能量密度超過(guò)這一閾值時(shí),等離子體才會(huì)產(chǎn)生,標(biāo)志著激光深熔焊的進(jìn)行。隨著激光功率的增大,焊接工件表面熔池氣化產(chǎn)生的蒸氣羽煙和等離子體增多,可以有效增加工件對(duì)激光能量的吸收,但在一定程度上增加了焊接過(guò)程中工件對(duì)激光的反射和折射現(xiàn)象,減緩了熔深的增加。隨著蒸氣羽煙和等離子體的增加,迫使熔融的金屬向兩邊擴(kuò)散,焊縫表面熔寬增大,因此即使深寬比會(huì)隨著功率的增加而增大,其值的變化也較小(R=0.076)。

(2) 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著焊接速度的增加,焊接熔深和深寬比均有一定量的減小。當(dāng)焊接速度增加時(shí),激光能量不能被焊接工件充分吸收,焊件表面激光功率密度減小,熔池減小,焊接過(guò)程中氣化產(chǎn)生的蒸氣羽煙和等離子體減少,熔深與深寬比相應(yīng)減小。

(3) 線性擺動(dòng)頻率對(duì)焊縫成形的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,激光光束線性擺動(dòng)頻率的增加會(huì)負(fù)作用于焊接熔深和深寬比的增加。隨著激光光束擺動(dòng)頻率的增加,雖然不影響激光能量密度,但單位面積上焊縫單次所接受的熱輸入相應(yīng)減少,焊接熔深和深寬比也會(huì)隨之減小。

3 拉力測(cè)試及參數(shù)優(yōu)化對(duì)比

對(duì)正交試驗(yàn)表中的9組試驗(yàn)進(jìn)行拉力測(cè)試,作為焊接質(zhì)量的判斷依據(jù),焊縫長(zhǎng)度為25 mm。拉力測(cè)試采用WDW-50微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),工件裝夾方式如圖5所示。

圖5 工件裝夾方式

對(duì)各焊接件拉力測(cè)試的最大峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見(jiàn)表6所列。

表6 拉力測(cè)試結(jié)果

由拉力測(cè)試結(jié)果可以判斷焊接質(zhì)量的優(yōu)劣。根據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)要求,在焊接件板材確定、保證焊接件不出現(xiàn)背透的情況下,要保證焊接樣件的拉力值盡可能大,以便于滿足實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)上述3種因素對(duì)熔深、深寬比的影響規(guī)律,選取激光功率3 250 W、焊接速度80 mm/s、激光光束線性擺動(dòng)頻率80 Hz作為本次正交試驗(yàn)的工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。工藝參數(shù)優(yōu)化后,得到的焊接樣件熔深為0.92 mm,熔寬為1.82 mm,拉力測(cè)試的峰值達(dá)到6.12 kN。

參數(shù)優(yōu)化后的拉力曲線如圖6所示。與9組正交試驗(yàn)中的最大拉力峰值5.65 kN相比,參數(shù)優(yōu)化后拉力性能提升了8.32 %。

圖6 參數(shù)優(yōu)化后的拉力曲線

4 結(jié) 論

本文采用S600鋁合金1.5 mm厚的板材進(jìn)行試驗(yàn),研究了激光功率、焊接速度、激光光束擺動(dòng)頻率對(duì)鋁合金激光深熔焊焊縫成形及焊接質(zhì)量的影響;通過(guò)正交試驗(yàn)分析了在一定參數(shù)范圍內(nèi)這3個(gè)因素對(duì)熔深、深寬比的影響趨勢(shì),并根據(jù)拉力測(cè)試結(jié)果對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估,得到以下結(jié)論:

(1) 激光功率、焊接速度、激光光束線性擺動(dòng)頻率對(duì)焊縫成形均有一定的影響。正交試驗(yàn)結(jié)果表明,激光功率的增加有利于焊接熔深和深寬比的增加;隨著焊接速度和激光光束線性擺動(dòng)頻率的增加,焊接熔深和深寬比會(huì)有一定的減少。

(2) 根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果的極差R值計(jì)算及方差分析可得,3個(gè)因素對(duì)焊接熔深的影響大小依次為焊接速度、線性擺動(dòng)頻率、激光功率。

(3) 根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,選取激光功率3 250 W、焊接速度80 mm/s、激光光束線性擺動(dòng)頻率80 Hz為參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。在該優(yōu)化參數(shù)下,焊接樣件熔深為0.92 mm,熔寬為1.82 mm,拉力測(cè)試峰值為6.12 kN,與正交試驗(yàn)表中拉力最高的第7組拉力5.65 kN相比,拉力性能提升8.32 %。

本文研究工作可為汽車輕量化全鋁車身連接中的激光焊接提供一定的參考。