焊接速度對鋁合金激光電弧復合焊焊縫成形的影響

霍仁杰

摘要：隨著近年來科學技術以及經濟社會的快速發展，產品輕量化的需求日益增加，為鋁合金材料的發展提供了良機，促進鋁合金焊接方面的研究也不斷地深入。相應的，鋁合金的焊接也存進了焊接技術的革新，而激光電弧復合焊接以兩種熱源復合發揮各自優點的特色廣泛應用到鋁合金的焊接。本文重點研究焊接速度對焊縫成形——熔深、熔寬的影響，實驗表明，隨著焊接速度的增加，熔深變淺，熔寬變窄，在一定的輸出功率下小焊接速度更有利于焊縫成形。

Abstract： With the rapid development of science and technology and the economy and society in recent years， the demand for lightweight products is increasing， which provides a good opportunity for the development of aluminum alloy materials and promotes the research of aluminum alloy welding. Correspondingly， the welding of aluminum alloys also contains the innovation of welding technology， and the laser arc hybrid welding is widely used in the welding of aluminum alloys with the characteristics of the combination of two heat sources and their respective advantages. This article focuses on the study of the influence of welding speed on weld formation-penetration depth and penetration width. Experiments show that with the increase of welding speed， penetration depth becomes shallower and penetration width becomes narrower， so at a certain output power， the small welding speed becomes more conducive to weld formation.

關鍵詞：激光電弧復合焊接;焊接速度;焊縫成形

Key words： laser arc hybrid welding;welding speed;weld formation

中圖分類號：TG456? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）29-0134-02

0? 引言

以鋁作為主要元素，其他元素添加形成鋁合金，又稱為鋁基合金。其他合金元素主要有Cu、Mg、Zn、Si、Fe、Ti、Cr等，近年來又研發出鋁鋰合金。鋁合金具有輕質、比強度高、導電性能優異、沒有磁性、成型較為容易及低溫性能好等特點而被廣泛地應用于用以代替鋼從而實現輕量化，結構重量可減輕50%以上。所以，鋁合金的焊接就成為一個新的難題，由于鋁合金導熱性好，傳統低能量密度的焊接方法不適合于鋁合金的的焊接，攪拌摩擦焊適合焊接卻還沒有達到很高的效率，因此，采用高能束焊接方法成為解決鋁合金的焊接有效途徑。

針對各自行業特色，在冶金機械、軌道交通運輸、航空航天、核電等領域不斷研發出適合的焊接方法進行鋁合金的焊接，并取得了一定的效果，主要從高質量和高效率兩個方向進行技術革新，焊接性差的問題逐漸得到了解決[1]。Jackson[2]研究表明，車企大約60%的汽車用鋁合金都源自于廢棄鋁合金的鋁合金結構產品，由此可見車用鋁合金的回收再制造工作做得很好，這一比率接近九成。

鋁合金激光-電弧復合焊接技術（Laser Welding）是近幾十年以來為結合激光熱源高質量和電弧熱源高效率而產生的焊接新方法，激光-MIG復合焊是將激光和電弧的熱源復合到一起的一種工藝方法，以其獨特的優點來彌補各自單一工藝過程的缺點。它是在1979年由W.M.Steen研究提出激光-電弧復合焊。它通過復合激光和電弧兩種熱源，提高了焊接的優越性，并降低了各自焊接的缺點。在激光-電弧復合焊中，合金元素可以通過焊絲加入到焊縫金屬中。它可增大焊縫裝配間隙的裕富度。激光的等離子體會使得更多的電弧熱進入到焊接過程中形成的小孔中。激光-電弧復合焊有較高的焊接速度和較大的熔深。與其他焊接方法做一個比對，激光電弧復合焊接方法功能強大，由于自動化程度高，所以可靠性也高、最后焊接的保護氣氛為氬氣，相比于電子束焊接真空條件，工藝成本較低。激光功率大，復合焊接的線能量高的同時總的熱輸入卻很低、形成了熱影響區窄、接頭應變小、熔深較深的焊縫、由于激光焊接和電弧焊接均已形成成熟的自動化體系故而工藝方法從一開始就是一種智能的焊接工藝。

激光-電弧焊接方法優點總結共計以下7條[3-4]：

①焊接時能量密度較高，焊接變形小，施加在焊縫上總的熱輸入量不大，熱影響區窄，有利于形成高質量的焊接接頭，熔透性好。

②激光焊接屬于高能束焊接方法，復合焊接過程的物理冶金行為繼承了這一特點，主要體現在冷卻速度快、非平衡凝固過程的焊縫區晶粒細小而彌散，接頭的強度和韌性同時得到提高。熔池能量分布可以通過流體的有限元分析用于改善焊接焊縫成形性能和顯微結構。

③穩定性高。電弧熱源的缺點是容易受到各種環境因素的影響，工程應用中不利于產品的穩定生產，如果焊接速度等工藝參數較大的情況，穩定性更差，這是因為電弧陽極區的跟部或者陰極區斑點的劇烈跳躍從而咬邊、駝峰等焊縫缺陷傾向增大，不利于焊縫成形。激光熱源復合其中，完全改變了這種情況的發生，激光能束就能夠不斷為電弧輸送陰極斑點，有效抑制電弧弧根跳躍。激光等離子體還能夠通過激光、電弧相互作用提高了電弧的電離程度，穩定和壓縮電弧，提高工程應用水平。與壓力焊相比，激光-MIG復合焊接效率較高，所以減少了工時和成本。

④更強的接頭間隙橋接能力。激光焊接的接頭縫隙只能在很小的范圍內波動，否則將形成氣孔、咬邊，未熔合等焊接缺陷。已有的研究證明復合焊接能夠在接頭間隙高達 1.5mm的情況下獲得理想的焊縫成形。

⑤更強的高反射率金屬焊接能力。這是電弧復合解決激光單一熱源反射率高、高能束利用率低的集中體現。如果電弧先導，在激光在前端對焊縫產生預熱作用，則大大降低高反射率金屬對激光能量的反射，提高了特殊材料的可焊性。基于此，目前激光-MIG復合焊接大量應用于高反射率金屬，如鋁基合金、銅基合金、鈦合金等金屬材料或復合材料的焊接性與焊接工藝，并且取得了理想的焊縫成形。同樣地、與單一電弧熱源進行焊接相比照，激光-MIG復合焊接的焊接變形更小。通常，電弧焊接因為變形而進行的后處理大約需要耗費整個工作流程工時的三分之一甚至更多。

⑥激光器能夠遠距離傳輸為生產過程提供了便捷調節，有利于整個過程的有效實施，配合計算機網絡和焊接機械手臂，可實現生產過程的信息化、精密跟蹤控制。

⑦通過復合激光和電弧兩種熱源，提高了焊接的優越性，并降低了各自焊接的缺點。在激光-電弧復合焊中，合金元素可以通過焊絲加入到焊縫金屬中。它可增大焊縫裝配間隙的裕富度。有穩定電弧的作用，在激光等離子體的影響下，使更多的電弧熱進入到焊接過程中形成的小孔中。激光-電弧復合焊有較高的焊接速度和較大的熔深。

1? 平板激光電弧復合堆焊工藝參數

本次實驗材料采用了5A06（LF6）鋁合金板材，板厚分別為5mm。5A06鋁板特性及適用范圍：5A06鋁板為Al-Mg系防銹鋁，具有較高的強度和腐蝕穩定性，在退火和擠壓狀態下塑性尚好，用氬弧焊的焊縫氣密性和焊縫塑性尚可，氣焊和點焊其焊接接頭強度為基體強度的90～95%;可切削性能良好。

5A06（LF6）鋁合金板材化學成分如表1所示。

用激光電弧復合焊接的方法把金屬熔化，熔融的液態金屬凝固后沉積在機器極其零部件上進行再制造修復。通常用來修復磨損和崩裂部分。這種通過復合激光熔覆技術進行金屬材料表面改性既經濟實用又高效，越來越廣泛地應用于工程機械、核電、船舶以及軌道交通等領域。實驗采用5A06鋁板進行平板堆焊試驗，通過對不同焊接工藝參數的實驗，確定較好的焊接工藝參數。在選定焊接工藝參數下進行平板堆焊，最后完成5A06鋁合金板材的激光-MIG復合焊接。

激光-電弧復合焊接工藝參數包括三部分：激光工藝參數，電弧工藝參數以及復合焊接的其他參數。激光參數包括：激光輸出功率P和離焦量△f，實驗中激光功率選定4kW;電弧工藝參數主要為焊接電流I、電弧電壓U、焊絲材料的干伸長度L以及送絲速度V;復合焊接其他主要參數有本文重點研究的焊接速度v、保護氣體Ar的純度、氣體流量、光絲間距D、激光與電弧夾角α以及激光與電弧排列方式。通過調節這些工藝參數，結合專家數據庫進行優化設計。

2? 焊接速度對焊縫成形——熔深、熔寬的影響

采用8mm厚鋁合金板材進行激光—MIG電弧復合焊接，保持送絲速度，焊接電流，光絲間距，電弧電壓，離焦量的數值不變，研究速度為100v/cm·min-1、200v/cm·min-1、300v/cm·min-1情況下焊縫成形質量，以熔深、熔寬作為兩個重要的焊縫成形指標研究變化規律。如表2所示。

通過實驗，在相同的功率下，隨著焊接速度的增加，熔深和熔寬隨之變淺變窄。在激光-電弧復合焊接過程中，電弧熱源主要決定焊接熔寬，激光熱源主要決定焊接熔深。激光與電弧之間存在強烈的相互作用，即使在高速焊接過程中，焊接電弧也非常穩定，不存在電弧漂移現象。

3? 結論

本文闡述了激光-電弧復合焊接的基本原理和復合形式，歸納了幾種激光-電弧復合焊接技術的特點、應用范圍和國內外的研究進展。激光電弧復合焊接是有效焊接鋁合金的手段，對于5A06鋁合金的焊接，焊接速度顯著影響著焊縫成形，設定功率值固定不變，隨著焊槍速度的增大，熔深變淺，熔寬相應越寬。小工藝參數情況下更有利于形成高質量的焊縫接頭。未來，激光-電弧復合焊接技術有著非常廣泛的應用前景，是今后激光焊接技術的發展趨勢，激光-電弧復合焊接機理還有待于進一步研究。

參考文獻：

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[3]白利兵.薄板鋁合金光纖激光-MIG復合焊工藝與性能研究[J].焊接技術，2020，49（04）：29-34，1-2.

[4]范立坤.增材制造用金屬粉末材料的關鍵影響因素分析[J].理化檢驗（物理分冊），2015，51（07）：480-482.