坡口型式對5083鋁合金激光-MIG復合焊接頭組織性能的影響

林賢軍，汪 認，茍國慶

(1.南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，材料科學與工程學院，四川 成都 610031)

0 前言

鋁合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好等優點，是一種較為理想的輕量化結構材料，廣泛應用于軌道交通行業［1］。5083鋁合金為不可熱處理強化鋁合金，具有較好的焊接性、良好的耐腐蝕性和易加工等特點，經過形變強化后的板材廣泛應用于鋁合金車體焊接生產中［2－3］。現有電弧焊鋁合金焊接接頭存在接頭強度系數低、效率低、變形及殘余應力大等缺點，降低了鋁合金焊接構件的服役安全可靠性。如何提高鋁合金焊接接頭性能，減小焊接變形和殘余應力已經成為焊接領域研究熱點之一［4－5］。

激光－MIG復合焊接是近年發展起來的一種新型高效的焊接方法，具有效率高、熱輸入小、工件變形及殘余應力小等優點，可精確控制且易實現自動化［4，6－8］。但由于鋁合金反射率較高，并且受激光功率的限制，鋁合金的激光－MIG復合焊接僅局限于薄板構架。隨著大功率光纖激光器的問世，鋁合金激光－MIG深熔焊的應用才成為可能，但激光－電弧復合熱源單次熔透能力仍然有限。要實現鋁合金中厚板的焊接，必然要采用多層多道焊，因此坡口型式對焊接工藝參數、熔合比有較大影響，并最終影響焊接接頭組織性能［9－10］。

針對兩種不同坡口型式的6 mm厚鋁合金板材對接接頭進行激光－MIG復合焊接，研究坡口型式對焊接過程工藝參數、焊縫成形及組織力學性能的影響，為鋁合金激光－MIG復合焊接接頭坡口優化設計提供參考。

1 試驗材料和方法

試驗所用材料為尺寸200 mm×125 mm×6 mm的5083－H111鋁合金對接接頭試樣，不留間隙，坡口型式如圖1所示。圖1b的Y型坡口加工成2 mm寬的平臺，便于激光聚焦。

根據MIG焊的焊絲選擇原則［11］，采用直徑φ1.6 mm的ER5356焊絲，母材和焊絲的化學成分如表1所示。

圖1 焊接接頭坡口型式

表1 母材和焊絲的化學成分%

激光－MIG復合焊設備采用激光－MIG復合焊焊接系統，主要包括多功能激光焊機(YLS－4000S2T激光器、FDH0125激光射出頭)和 KempArc Pulse焊接設備(KempArc Pulse450焊接電源、DT400送絲機及冷水焊槍等)。本試驗采用連續激光與脈沖MIG復合的方式，焊接過程中激光在前電弧在后，聚焦鏡偏轉角為2°，聚焦鏡焦距310 mm，熱源間距4～5 mm。保護氣為純度99.999%的氬氣，氣流量25 L/min。

采用型號為XXQ2505D－XK3.2X射線探傷設備對焊接接頭部位進行無損探傷，檢驗內部缺陷情況。拉伸試驗是在CM3505電子萬能試驗機上按照GB/T 228－2002進行，并觀察拉伸試樣的斷口及其周圍宏觀形貌。采用Am1蔡司顯微鏡設備對焊接接頭熔合區和焊縫中心組織進行觀察。

2 實驗結果和分析

2.1 坡口對焊縫成形的影響

采用I型坡口型式可以實現一次性熔透，激光功率 Pw=2.8 kW，焊接速度 vw=0.49 m/min，送絲速度vs=6.0 m/min;而采用Y型坡口型式，在保證焊透的前提下，激光功率Pw=1.3 kW，焊接速度vw=0.64 m/min，送絲速度 vs=6.0 m/min，激光功率明顯減低，這對激光器功率有限的條件下實現厚板鋁合金的焊接十分有利。

從焊接接頭的成形來看，采用I型坡口由于填充金屬大部分都熔覆在接頭表面，并且焊接速度相對較慢，導致焊后正面余高明顯較高，正面焊縫寬度明顯寬于背面焊縫。兩種坡口型式接頭外觀成形形貌如圖2所示。Y型坡口焊縫寬度窄得多，這是由于開Y型坡口以后，激光焦點作用在距離試板上表面3 mm的平臺上，相當于將激光束所需穿透的深度直接減少了3 mm，激光功率大大降低，同時焊接速度明顯提高，導致焊接時線能量大幅度降低，因此形成的焊縫熔寬較小。

2.2 坡口對焊接接頭探傷結果的影響

圖2 不同坡口型式焊縫成形形貌

圖3 不同坡口型式焊接接頭探傷照片

采用X射線探傷的方法檢測接頭內部缺陷，如圖3所示。可見除了氣孔缺陷外，接頭內部未發現其他形式的缺陷，并且開Y型坡口的接頭內部氣孔數量明顯多于I型坡口型式，氣孔尺寸也普遍較大。理論上說，在其他條件相同的情況下，激光功率越大，焊縫熔深越深，焊接熔池內部的氣體越來不及溢出，最終越易在焊縫內部形成氣孔。本試驗結果中，開Y型坡口接頭焊接時雖然激光功率比開I型坡口小，但由于最終的熔深差不多，且焊接速度有所提高，導致熔池凝固時間反而更短，最終開Y型坡口接頭內部氣孔缺陷更多。因此，坡口型式不同會影響焊接接頭內部氣孔的形成，但并非唯一決定因素，還要與其他焊接參數匹配適當，才能有效控制氣孔數量［12］。

2.3 坡口對焊接接頭顯微組織的影響

不同坡口型式激光－MIG復合焊接接頭的光鏡顯微組織如圖4所示。圖4a和圖4b分別為I型坡口和Y型坡口熔合區組織，二者在熔合線靠近焊縫一側為垂直于熔合線方向排列的柱狀晶，靠近母材一側為經軋制后細小的有一定取向的晶粒;圖4c和圖4d分別是I型坡口和Y型坡口焊縫區組織，都呈現為雜亂無章的樹枝晶結構，組織特征為均勻分布著α(Al)+β(Mg5Al8)共晶和少量Mg2Si，Mg2Si呈骨骼狀。從光鏡下的顯微組織來看，兩種坡口型式焊接接頭組織沒有明顯差異。

2.4 坡口對焊接接頭拉伸性能的影響

圖4 不同坡口型式激光－MIG復合焊接接頭的顯微組織

兩種坡口型式激光－MIG復合焊接接頭拉伸試驗結果如表2所示，可以看出I型坡口的激光－MIG復合焊接接頭的平均抗拉強度為282 MPa。通過試驗得到6 mm厚5083鋁合金的平均抗拉強度為323 MPa，可達母材平均抗拉強度的87.3%，而Y型坡口的激光－MIG復合焊接接頭平均抗拉強度僅為252 MPa，為母材的78%。這主要是焊縫內部的氣孔數量不同造成的，由圖3的X射線探傷照片可以看出，與I型坡口的復合焊接接頭相比，Y型坡口由于焊縫內部氣孔較多、體積較大，甚至出現了鏈狀分布的密集型氣孔，減小了接頭的有效承載截面，產生局部應力集中現象，導致接頭抗拉強度較低。從拉伸試樣的斷口也可以看出，兩種坡口型式的接頭內部氣孔數量和分布狀態有明顯差異，如圖5所示。

表2 不同坡口型式5083鋁合金激光－MIG復合焊接接頭拉伸試驗結果

圖5 不同坡口型式5083鋁合金激光－MIG復合焊接接頭拉伸宏觀斷口

3 結論

通過無損探傷檢驗、金相組織分析、拉伸試驗等測試手段，研究了坡口型式對5083－H111鋁合金激光－MIG復合焊接接頭的組織和力學性能的影響，得出以下結論:

(1)采用Y型坡口型式，在1.3 kW激光功率和0.64 m/min的焊接速度下能保證6 mm的5083板材對接接頭熔透，焊縫外觀成形較好。

(2)采用Y型坡口形式，由于線能量的降低導致熔池凝固速率變低，增加了氣孔出現的幾率，焊縫中氣孔較多。

(3)I型坡口5083鋁合金激光－MIG復合焊接頭平均抗拉強度為282 MPa，可達母材的82.6%;而Y型坡口由于氣孔較多，導致強度下降明顯，只有252 MPa。

(4)不同坡口型式的激光－MIG復合焊接接頭由母材到焊縫中心的顯微組織依次為沿軋制方向伸長的纖維組織、柱狀晶和雜亂無章的樹枝晶，坡口型式對接頭組織無明顯影響。

［1］Guoqing Gou， Nan Huang， Hui Chen， et al.Research on corrosion behavior of 6N01S－T5 aluminum alloy welded joint for high － speed trains［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26(5):1－6.456:344－349.

［2］Tomotake Hirata， Taizo Oguri， Hideki Hagino， et al.Influence of friction stir welding parameters on grain size and formability in 5083 aluminum alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2007，456:344－349.

［3］趙亞東，段 非，朱西尾，等.5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織與力學性能［J］.電焊機，2011，41(2):32－34.

［4］邊美華，許先果.鋁合金復合焊接技術的發展現狀［J］.電焊機，2005，35(2):29 －32.

［5］羅傳孝，王少剛，劉 儀，等.軌道交通用鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能［J］.電焊機，2013，43(8):40－45.

［6］雷 祥，單際國，鄭世卿，等.焊接工藝對6005A鋁合金激光－MIG復合焊焊縫成形的影響［J］.焊接，2008(7):25－32.

［7］丁 灝，馬云霞，白培康，等.鋁合金激光焊新技術［J］.熱加工工藝，2012，41(3):111 －113.

［8］吳圣川，唐 濤，李 正，等.高強鋁合金焊接的研究進展［A］.第十五次全國焊接學術會議論文集［C］，北京:2010.

［9］姚 為，王志敏，李宏偉，等.中厚板鋁合金激光 －MIG復合雙層焊接方法［J］.焊接學報，2011，32(7):21－24.

［10］崔 麗，張彥超，賀定勇，等.高功率光纖激光焊接的研究進展［J］.激光技術，2012，36(2):154 －159.

［11］吳雅舒，王炎金，趙 強，等.鋁合金高速客車加工與焊接技術研究［J］.電焊機，1999，39(2):1 －2.

［12］Alessandro Ascari， Alessandro Fortunato， Leonardo Orazi， et al.The influence of process parameters on porosity formation in hybrid Laser－GMA welding of AA6082 aluminum alloy［J］.Optics ＆ Laser Technology， 2010，44:1485－1490.