6061鋁合金激光-MIG復合焊中能量比影響的研究

張　威,葉　兵 ,祁小勇,王維新，劉巨峰

(1.激光先進制造技術湖北省重點實驗室，武漢 430223；2.武漢華工激光工程有限責任公司，武漢 430223；3. 湖北三江航天紅陽機電有限公司，孝感 432000)

引　言

鋁合金因具有塑性好、比強度高、比剛度大及耐腐蝕性好等優點而成為實現輕量化的首選[1]。6061鋁合金作為Al-Mg-Si系中強鋁合金的典型代表，被廣泛應用于汽車、軌道交通等領域。然而，鋁合金因其特有的性質，如線脹系數大、熱導率高、對激光反射率高等，導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]。

傳統的熔化極惰性氣體保護焊，由于其熱輸入大，導致焊后工件形變大，精度難以保證，同時加工效率低且難以實現自動化[5]；激光焊形變小、焊縫熱影響區小，但鋁合金對激光反射率高[6]，同時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焊(metal inert gas，MIG)復合焊充分發揮了兩種熱源各自的優勢，同時激光、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定的陽極斑點，電弧的燃燒而更加穩定[10-11]，同時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]。此外激光焊產生的光致等離子體會吸收部分激光產生不利影響，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復合焊方法對6061鋁合金實施焊接，研究在焊接過程中激光、電弧各自對材料的作用與二者耦合效果。在此基礎上，進一步探究激光與電弧能量分布與焊縫宏觀形貌、內部氣孔分布、機械性能等的相互聯系與影響規律，為今后復合焊接工藝提供方向，也為鋁合金的廣泛工程應用夯實基礎。

1　試驗設備、材料及方法

1.1　焊接設備與檢測設備

試驗在如圖1所示的多功能焊接平臺上展開。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，焦點處光斑直徑為0.48mm，機械手型號為KUKA 60HA。MIG焊機采用Fronius RCU 5000i數字化焊機，該焊機配備逆變式弧焊電源，可通過調用內部專家數據庫實現電流-電壓-送絲速度一元化調節，在焊接過程中僅需調節送絲速度即可自動匹配相關參量。

Fig.1　Welding platform

本研究中所采用的檢測方法與設備主要有：用線切割機對焊縫進行取樣，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軟件進行測量分析；采用線切割機進行標準拉伸試樣的取樣，在WDW3200型微控電子萬能試驗機上測試接頭的室溫拉伸性能。

1.2　試驗材料

試驗中所用鋁合金牌號為6061，規格150mm×80mm×4mm。填充焊絲為直徑?1.2mm的ER5183型焊絲。試驗材料為化學成分見表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　試驗方法

試驗過程中，通過改變激光功率來改變激光能量，能量比即對應的功率比，因此將激光功率記做Pl，電弧功率記做PMIG，能量比η=PMIG∶Pl。試驗中通過調整焊接速率來保證總的線能量恒定，首先固定激光功率，改變電弧功率，進行一系列能量比試驗；再保證電弧功率恒定，改變激光功率再開展一系列能量比試驗。試驗參量如表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，在試驗前2h內完成對鋁合金板材正反面及側面的噴砂處理，并在焊接前用丙酮清洗焊接面，以除去油漬。焊接時候采用體積分數為0.999的氬氣作為保護氣，焊接過程示意圖如圖2所示。

Fig.2　Illustration of laser-MIG hybrid welding

2　試驗結果與分析

2.1　焊縫截面形貌分析

鋁合金復合焊接頭組織在焊接熱循環作用下，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，由于激光作用區域與電弧作用區域二者溫度梯度差異大，導致各自的晶粒大小區別顯著。激光作用區域與電弧作用區域組織的差異必將體現為性能的區別，故有必要從焊接接頭宏觀形貌上進行描述，通過探索焊縫截面形貌與能量比的關聯尋找能量比與焊縫力學性能的深層次聯系。將如圖3所示的焊縫形貌關鍵數據測量后繪制成圖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，但當能量比η從0.9增大到1.2的過程中，表面熔寬已基本穩定，增量并不明顯。

當電弧功率恒定時，激光區寬度的變化規律大致與激光功率的變化正相關。當激光功率恒定時，激光區寬度在能量比η=0.9時候達到最大，推測是電弧功率較小時，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，但電弧進一步加大時，其所產生的電弧等離子體會造成“負透鏡效應”，反而使得激光的利用率降低。

電弧區與激光區的高度比例隨著能量比的變化趨勢如圖5所示。由圖可見,整體呈現上升趨勢，但當能量比處于0.9～1.0范圍內時，曲線斜率明顯減小，能量比由1.0繼續增大至1.2的過程中，電弧區與激光區高度比反而略有減小。說明此時激光區的高度增量較電弧區的高度增量更大，此時的激光-MIG復合場中激光占據主導地位。

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，在焊接瞬時高溫作用下分解為氫原子進入熔池，同時氫的溶解度在凝固過程中急劇下降，導致焊縫內部分布著內壁光滑、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而形成的工藝氣孔。本研究中采用Image J軟件對焊縫縱截面氣孔率進行檢測，檢測過程中首先對焊縫縱截面進行處理，使得氣孔部分更加清晰易于軟件識別，具體步驟如圖6所示。

Fig.6　Testing step of porosity

從圖7可以看出，當激光功率恒定時候，氣孔隨著電弧功率的加大而增多，只是在η=0.9時出現一個突降，從前述焊縫截面形貌分析看，可能是此時的激光區反而增大所致，說明了氣孔主要集中在電弧區。

Fig.7　Porosity under different energy ratios

當電弧功率恒定時候，隨著能量比η的增大，氣孔呈先緩慢減少，后急劇增多的規律。在η=0.9時氣孔率僅為1.65%。

2.3　接頭抗拉強度分析

拉伸試驗所用設備為WDW3200型微控電子萬能試驗機，試驗中加載速率為2mm/min。首先對6061母材的抗拉強度進行了檢測，通過3次測試得到母材的抗拉強度約為351MPa。然后依次對每組試樣進行測試，抗拉強度如圖8所示。

觀察焊接接頭抗拉強度的曲線，不難發現其變化規律基本與氣孔率曲線呈負相關，由此可推測焊接接頭最薄弱的部位為氣孔密集區，氣孔也是削弱接頭強度的主要因素。

Fig.8　Tensile strength under different energy ratios

拉伸試樣斷后實物圖如圖9所示。觀察試樣斷裂位置，斷口宏觀無明顯的塑形變形，斷口平坦。部分端口處可見氣孔，進一步證實了氣孔為接頭薄弱部位。

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

3　結　論

(1)激光-MIG復合焊中，電弧能量與激光能量的比例在0.9～1.0范圍內時，二者之間的耦合效果最好，相互促進作用最為強烈。

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

(3)鋁合金激光-MIG復合焊中，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，能實現鋁合金的優質高效焊接，接頭的氣孔率僅為1.65%，接頭抗拉強度可達母材的82.9%。