異種鋁合金激光誘導電弧拼焊接頭塌陷研究

叢炳坤 趙 斌 高 睿

（山東工業技師學院， 山東 濰坊 261053）

低合金高強鋼激光—電弧復合焊的研究表明，該技術可以實現低合金高強鋼的無預熱或低溫預熱條件下優質高效的焊接。然而，中等厚度板材激光—電弧復合焊接對接坡口一般采用大鈍邊、小角度、無間隙形式，與傳統坡口形式存在較大差別，所形成的接頭斷面形狀也與常規弧焊存在較大差異，鈍邊部位形成的接頭根部位置的化學成分、組織狀態及力學性能等對焊接接頭質量影響較大，但在此方面的研究較少，缺乏較系統研究數據。

1 電弧釬焊工藝

電弧釬焊工藝（如MIG 釬焊和MAG 釬焊等） 是一種將釬焊與電弧熔焊結合的技術，以傳統熔焊常用的電弧為熱源，采用熔點低于母材的焊絲，使其在電弧熱作用下熔化，在低于母材熔點、高于釬料熔點的溫度下，液態釬料在母材表面潤濕、鋪展并在母材間隙中填縫，釬料與母材相互擴散與熔解，最終實現母材的連接。電弧釬焊一般采用低熔點的銅基焊接材料，與熔化焊接工藝（如MIG 焊和MAG 焊等）相比，熱輸入較低，非常適用于薄板不銹鋼與耐候鋼異種鋼的焊接。目前對不銹鋼和耐候鋼薄板的電弧釬焊工藝的相關研究報道較少，主要集中在釬焊工藝、接頭性能等方面。

2 試驗材料和方法

試驗材料為6061-T6 和5083-O 鋁合金，材料尺寸為100mm×60mm×1.5mm。試驗采用自行搭建的低功率脈沖激光誘導電弧復合焊接系統。其中激光器為波長為1.064μm 的脈沖Nd：YAG 激光器，焦距為100mm，焦點光斑直徑為0.6mm。采用交流TIG 電弧，以純氬作為保護氣體，采用激光在前電弧跟后的焊接方式。焊前用鋼絲刷和砂紙打磨去除鋁板表面氧化膜，用酒精清洗去除油污，清理后在24 小時內完成焊接，避免母材被再次氧化。

3 試驗結果及分析

3.1 焊縫根部化學成分

對于低合金高強鋼厚板大鈍邊的激光焊焊縫的特性與焊縫元素分布有密切關系，根部作為易出現裂紋等缺陷的位置，需對大厚板激光—MAG 電弧復合焊焊縫接頭取樣并進行元素分析，復合焊接頭焊縫根部的元素含量介于母材與焊絲之間。

3.2 接頭塌陷對接頭力學性能的影響

圖1 為焊接參數對接頭力學性能的影響。其中圖1（a）為電弧焊過程中焊接電流對焊接接頭抗拉強度的影響，可以看出隨著焊接電流的增加，焊接接頭不一致塌陷程度RTW和RTD 分別保持在2.0 和3.6 上下波動，焊接接頭抗拉強度先逐漸增加，焊接電流為90A 時，抗拉強度達到最大為母材的72%，隨焊接電流的進一步增加，焊接接頭抗拉強度逐漸減小；圖1（b） 為激光誘導電弧焊過程中激光功率對焊接接頭抗拉強度的影響，可以看出隨著激光功率的增加，不一致塌陷深度比RLW 保持在1.52 上下波動，而不一致塌陷深度比RLD 逐漸由3.19 減小至2.1，接頭的抗拉強度先增后減，激光功率為445W 時，RLD 為2.52，此時接頭強度達到最大，約為母材的80%，隨著激光功率的進一步增加，接頭抗拉強度逐漸減小。

圖1 焊接接頭不一致塌陷對力學性能的影響

4 焊縫塌陷成因及改善機制

焊接接頭的不一致塌陷現象主要是由兩種鋁合金的熱物理參數和化學成分不同引起的。列出兩種鋁合金的熱物理參數，可以看出各溫度下兩種鋁合金的比熱容相當，而5083鋁合金的熱導率明顯小于6061 鋁合金，說明兩種鋁合金的吸熱能力相當，但5083 鋁合金散熱能力弱，因此焊接過程熱量在5083 鋁合金側累積，使5083 鋁合金側熔池存在時間較長。牛振等人研究表明5083 鋁合金焊接過程中，由于Mg元素蒸發劇烈以及熔池液態金屬流動性強，造成焊縫塌陷較為嚴重。5083 鋁合金中Mg 元素的含量為6061 鋁合金中的4倍，在焊接過程中Mg 元素蒸發劇烈，產生的蒸發粒子流反沖力大。

5 結語

綜上所述，在一定范圍內，隨著焊接電流的減小或者焊接速度的提高，橫焊接頭的不對稱性得到緩解;焊槍傾斜一定角度，利用電弧分力可以抑制橫焊接頭的不對稱性。激光引入使焊接熱輸入明顯降低，激光誘導電弧焊的最大熱輸入比電弧焊的最小熱輸入減小了7.81%，造成焊縫塌陷量明顯減小，其中D L5 的最大值比D T5 最小值減小了25.4%。