鋁合金激光-TIG復合焊接工藝研究

康澤軍　李先芬　許新猴　華　鵬　周　偉②

(①合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009；② 新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院，新加坡 639798)

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鋁合金激光-TIG復合焊接工藝研究

康澤軍①李先芬①許新猴①華鵬①周偉①②

(①合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009；② 新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院，新加坡 639798)

文章對2A14鋁合金進行激光-TIG復合焊接實驗，分析不同電弧電流對焊縫成形質量、顯微組織以及顯微硬度的影響，并對復合機理進行分析。結果表明，激光電流為110 A，電弧電流為100 A時，可以獲得成形較好的焊縫，并且焊縫區域的顯微硬度較高。電弧等離子體與光致等離子體存在耦合作用，而電弧電流的變化會影響兩類等離子體的耦合效果，耦合效果會影響復合焊接過程中的能量利用率，從而最終影響焊縫的顯微組織和顯微硬度及其分布。

鋁合金；激光-TIG復合焊接；顯微組織；顯微硬度；復合機理

鋁合金具有質量輕、比強度高、無磁性、耐腐蝕、熱穩定性能好、易成形、可循環利用等特點，被廣泛地應用于汽車、航空、造船以及化工等行業，如圖1所示[1]。傳統的鋁合金焊接方法主要采用TIG焊或者MIG焊，由于焊接過程中熱輸入量較大，容易發生翹曲、變形和接頭軟化等問題[2-3]。

與傳統的電弧焊接相比，激光焊接具有能量密度高、焊接效率高和熱輸入量小等優點，是一種優質高效的焊接方法。但是，由于鋁合金的反射率高，以及合金元素的強烈蒸發，引起深熔小孔的波動，造成激光焊接鋁合金過程穩定性差，焊縫存在咬邊和下凹等缺陷，很難獲得良好的焊縫[4]。激光電弧復合焊接通過激光與電弧的相互作用，避免了單一熱源焊接的缺陷，使得焊接過程的穩定性和焊縫成形得到顯著改善；同時大大降低了對坡口的準備和裝配精度的要求，提高了橋接能力。

本文以2A14鋁合金為研究材料，分析了激光-TIG復合焊在不同電流的情況下對焊縫成形質量、顯微組織以及硬度的影響，為工藝參數的選定提供指導。

1　實驗設備及方法

1.1實驗設備

本次實驗采用的激光焊接設備如圖2所示，激光波長λ=1.06 μm，最大輸出功率P0=1 kW，焦距f=120 mm，焦點光斑直徑D=0.6 mm。激光作用點與鎢極尖端的水平距離定義為熱源間距，設定熱源間距為1 mm。實驗采用的電弧焊接設備為直流電弧焊機WSM-400(PNE61-400P)，鎢極直徑為1.2 mm。

1.2實驗材料

實驗材料采用的是2A14鋁合金，熱處理狀態為退火態，屬于可熱處理強化鋁合金。實驗采用的鋁合金焊件的規格為：200 mm×100 mm×3 mm平板件。2A14的化學成分見表1。

表12A14鋁合金的化學成分

化學成分(質量分數,%)SiFeCuMnMgNiZnTiAl0.6～1.20.73.9～4.80.4-1.00.4～0.80.10.30.15其余

1.3實驗方法

實驗前，先用丙酮清洗焊件，然后用吹風機吹干。通過正交法多次實驗后，最終篩選出三組參數進行對比分析，具體如表2。實驗完成后，用砂紙打磨焊縫截面，然后用30%的NaOH溶液對截面進行宏觀腐蝕，直至出現焊縫輪廓，利用數碼相機對焊縫的熔深、熔寬進行拍照記錄。采用keller試劑對金相試樣進行腐蝕，采用光學金相顯微鏡進行微觀組織觀察和分析。采用MH-3顯微硬度計測定從焊縫至母材的顯微硬度變化，加載200 g，加載時間為10 s。

表22 A14鋁合金的焊接參數

編號脈寬/ms頻率/Hz焊速/(mm/min)氣流量/(L/min)離焦量/mm激光電流/A電弧電流/A12.03030010-11109022.03030010-111010032.03030010-1110110

2　實驗結果分析

2.1焊縫的宏觀形貌

圖3所示為不同電弧電流下獲得的焊縫正、背面形貌。表3所示為不同電弧電流下獲得的焊縫熔寬、熔深的對比。由圖3可知，隨著電弧電流增大，鋁合金板材由未焊透至完全焊透，最終獲得成形良好、且無焊接裂紋缺陷的焊縫。從焊縫正面觀察發現，三條焊縫的中心都存在一條亮線。對比三組參數可以發現焊縫表面基本無氧化，焊縫成形美觀，并且2號焊縫的外觀形貌最好。

表3不同復合模式焊縫熔深、熔寬對比

編號熔深/mm熔寬/mm成形12.34.1未焊透23.25.3焊透,微下陷33.06.0焊透,下陷明顯

2.2焊縫的顯微組織

如圖4所示為2A14鋁合金母材金相組織，圖中可知母材中第二相(CuAl2或 CuMgAl2)作為二次強化相彌散均勻地分布在α-Al基體中[5]。

圖5所示為不同電弧電流下的焊縫中心顯微組織。由圖對比可知，焊縫中心的組織為均勻分布的等軸晶組織，隨著電弧電流的不斷增大，焊縫中心的晶粒組織不斷增大。

圖6為接頭熱影響區組織。由圖可以看出，熱影響區晶粒粗化明顯，存在尺寸較大的析出相黑色CuAl2或 CuMgAl2強化相。2號焊縫的熱影響區的寬度最大，隨著電弧電流的不斷增大，熱影響區的寬度先增大后減小，這是因為電弧電流過大后激光和電弧的耦合作用將會減弱，從而導致能量的利用率降低。

2.3焊接接頭的硬度分布

分別測定不同焊接電流對應的焊接接頭的硬度。如圖7所示為1號焊縫對應的顯微硬度分布，由圖可知，沿著母材、熱影響區、焊縫方向，硬度值是不斷增加的，這是因為本次焊接實驗采用的母材2A14為退火態。1號焊縫的焊縫區的平均顯微硬度為105HV，母材的平均顯微硬度為60HV，焊接組織的顯微硬度值明顯高于母材的硬度值。

圖8為2號焊縫的顯微硬度分布，圖9為3號焊縫的顯微硬度分布。由圖可知，2號焊縫的焊縫區平均顯微硬度為115HV，而3號焊縫的焊縫區平均顯微硬度為105HV。2號焊縫的熱影響區較寬，3號焊縫的焊縫區域最寬。

如圖10所示為三條焊縫的顯微硬度在同一坐標系的擬合對比。由圖可知，隨著電弧電流的不斷增大，獲得的焊縫區域不斷增大，并且顯微硬度值也在增大，其中3號焊縫區的平均硬度值最大，2號焊縫區的平均硬度值與3號的相差不大。

2.4焊接的機理分析

在鋁合金的激光-電弧復合焊接過程中激光會與電弧相互作用。激光作用在工件上時會產生等離子，稱之為光致等離子體，而電弧作用在工件上時也會產生等離子體，稱為電弧等離子體[6]。光致等離子體與電弧等離子體相互作用，發生能量的傳遞和質量的交換，從而影響焊接過程中能量的利用率[7-9]。

在2A14的激光-TIG焊接過程中，電弧電流的變化會影響電弧等離子體產生的數量，從而影響兩類等離子體的復合效果。由大量正交實驗獲得了三組焊縫成形較好的焊接參數，從外形對比可以看出，電弧電流由90 A增大至110 A過程中，當電弧電流為100 A時獲得的焊縫形貌最好，并且得到了較好的熔寬、熔深。此電弧電流下對應的焊縫晶粒組織也較細小，焊縫區域的硬度較高，而隨著電弧電流增大到110 A，電流過大，激光等離子體與電弧等離子體的耦合效果下降，導致能量利用率降低，削弱了電流增大引起晶粒粗化、顯微硬度增加的效果，從而獲得的焊縫區的顯微硬度與2號焊縫區域的顯微硬度相差不大。

基于以上分析，電弧電流的改變會影響焊縫成形的主要原因是因為電弧等離子體與光致等離子體存在耦合作用，電弧電流的變化影響耦合效果。而耦合效果會在一定程度上影響激光過程中的能量利用率，從而最終影響焊縫的顯微組織和顯微硬度及其分布。當電弧電流為100 A，激光電流為110 A時，耦合效果最好，獲得成形較好的焊縫，焊縫區域的顯微硬度較高。

3　結語

本文在對2A14鋁合金進行激光-TIG復合焊接實驗的基礎上，分析了不同電弧電流對焊縫成形質量以及顯微組織的影響，并得出了以下結論：

(1)3 mm厚的2A14鋁合金板材的激光-TIG復合焊接的適合電流參數為：激光電流為110 A，電弧電流為100 A。

(2)隨著電弧電流的不斷增大，熱影響區和焊縫中心的晶粒都有不同程度的增大。

(3)在激光-TIG焊接過程中，電弧等離子體與光致等離子體存在耦合作用，電弧電流的變化影響耦合效果。激光電流為110 A，電弧電流為100 A時，耦合效果較好時，導致激光過程中的能量利用率較大，從而最終獲得成形較好、焊縫區域顯微硬度較高的焊縫。

[1]趙子竣.鋁合金激光-電弧復合焊接的工藝研究[D].成都:電子科技大學，2012.

[2]李曉輝，汪蘇，夏彩云. 雙焦點激光-TIG電弧復合焊接工藝[J]. 航空制造技術，2008，4(17):90-93.

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[4]王威，李麗群，王旭友，等.激光與電弧復合焊接技術[J].焊接，2004(3): 6-9.

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[6]Coutouly J F, Deprez P, Demonchaux J, et al. I.The optimisation of laser welding and MIG/MAG-laser hybrid welding of thick steel sheets[J]. Lasers in Engineering,2006(16):399-411.

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[9]陳彥斌，陳杰，李俐群，等.激光與電弧相互作用時的電弧形態及焊縫特征[J].焊接學報, 2003,24(1):55-56.

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Laser-TIG hybrid welding of aluminum alloy

KANG Zejun①, LI Xianfen①, XU Xinhou①, HUA Peng①, ZHOU Wei①②

(①School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, CHN;② School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798, SG)

In this paper, the effect of different arc currents on weld bead appearance, microstructure and hardness distribution of 3 mm 2A14 aluminum alloy welded by laser-TIG hybrid welding is studied. The results show that the weld could form well when the laser current is 110A, and the arc current is 100A. There is a coupling between electric arc plasma and laser plasma, and the change of arc currents could affect the coupling effect of the two kinds of plasma. The coupling effect can affect the energy utilization in the process of composite welding, which will affect the microstructure and hardness of the weld.

aluminum alloy; laser-TIG hybrid welding; microstructure; micro-hardness; hybrid mechanism

TG456.7

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.022

康澤軍，男，1991年生，碩士，研究方向為先進焊接技術(激光焊接)。

(編輯汪藝)(2015-12-15)

160731