6082-T6鋁合金中厚板MIG焊與激光-MIG復合焊工藝和數值模擬對比研究

鄧望紅，陳順，廖寧寧，林敏，王艷淼

1.中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412000

2.株洲國創軌道科技有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

6082-T6鋁合金具有良好的物理和化學性能，其質量輕、耐蝕性好、比強度高、熱穩定性好等優點，廣泛應用于汽車制造、航空航天、軌道交通、電子等行業[1-4]。在軌道交通零部件制造領域，對于6082-T6鋁合金的焊接，主要是采用多層多道的傳統電弧焊接方法，這種方法焊接效率較低，加工精度不高，并且由于熱輸入量大，工件被反復加熱，所以使得工件變形較大，嚴重影響了焊縫的性能。激光-MIG復合焊是一種新的焊接方法，它既具有激光高能量密度的優勢，又能發揮電弧高熱輸入的作用，最終得到的焊縫熔深較大，焊接接頭的質量較高[5，6]。

近年來，激光-MIG復合焊已經成為了激光焊接領域的一個研究熱點。韓曉輝等采用激光-MIG復合焊對6106-T6鋁合金進行焊接，對比了光纖激光-冷金屬過渡焊、光纖激光-變極性鎢極惰性氣體保護焊、光纖激光-熔化極惰性氣體保護焊三種復合焊接方法得到的焊縫，并分析得出三種復合焊接方法得到的焊縫成形良好、無明顯缺陷，但是激光-MIG復合焊接頭的間隙適應性較好[7]。季衛東等對6005A鋁合金采用雙層激光-MIG復合焊方法進行焊接，研究發現激光-MIG復合焊方法得到的焊接接頭拉伸性能得到了較大的提升[8]。張林等采用激光-MIG復合焊對7A52厚板鋁合金進行焊接，并對焊接接頭進行顯微組織觀察和力學性能分析，結果表明，相比于傳統電弧焊接，焊縫效率提高了將近兩倍，并且激光和電弧作用區域的不同，硬度和抗拉強度也有所差異[9]。STEEN通過對比分析研究也提出了激光-電弧復合焊相比于單激光焊接具有一定的優勢[10]。

本文針對10mm厚6082-T6鋁合金，采用激光-MIG復合焊和MIG焊接工藝，結合工藝試驗和數值模擬，對比分析兩種焊接接頭的顯微組織、力學性能及變形量。

2 試驗材料和研究方法

2.1 試驗材料

試驗采用10mm厚6082-T6鋁合金板材作為母材，保護氣體為純度99.999%的高純氬氣，采用φ1.2mm的ER5087鋁合金焊絲，6082-T6鋁合金板材和ER5087焊絲的化學成分見表1。激光-MIG復合焊采用對接不開坡口，MIG焊采用對接開設135°坡口，焊前使用酒精將工件表面的油污和灰塵清理干凈。

表1 焊接材料的化學成分（質量分數） （%）

本文采用IPG公司生產的6.0kW光纖激光器實施焊接，如圖1所示。激光器的最大功率為6.0kW、波長為1.07μm、聚焦得到的光斑直徑為0.48mm。采用Fronius公司生產的TPS4000 CMT Advanced焊機，焊接過程中采用的焊接參數來自焊機內置專家數據庫，分別將送絲速度、焊接電流、電弧電壓作為一元化參數進行調控，以送絲速度作為參數代表，保護氣流量為20L/min，焊接參數見表2。

圖1 激光-MIG復合焊接試驗設備

表2 焊接參數

2.2 試驗過程

焊后通過金相切割將兩種試樣切割成10mm×10mm×10mm的樣品，分別經過打磨、拋光以及超聲波清洗，使用凱勒試劑進行腐蝕，清洗過后使用OLYMPUS DSX110超景深顯微鏡對橫截面的宏觀形貌進行觀察。采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡對橫截面的顯微組織進行觀察，并通過Q60A維氏硬度計進行硬度檢測。拉伸試驗按GB/T 228.1—2010標準在電子萬能試驗機上完成，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣尺寸

在焊接過程中，變形主要分為撓曲變形和角變形。本文將焊后試板置于5mm厚的基板上，用量尺分別測量邊變形的最大值作為撓曲變形結果。

3 試驗結果與分析

3.1 焊縫表面形貌

圖3分別是MIG焊和激光-MIG復合焊接6082-T6鋁合金的焊縫宏觀形貌，二者的橫截面形貌如圖4所示。MIG焊接采用三層四道的方法完成焊接，并且在實施對接焊之前將對接處開設了135°的坡口。從圖3a可以看出，MIG焊接的焊縫熔寬較大，表面呈現魚鱗狀。在MIG焊接過程中，由于采用分層多道焊，熔池的熔融金屬流動均勻平穩，焊縫表面較為平整，如圖4a所示。激光-MIG焊接接頭熔寬較窄，焊縫成形飽滿，焊縫表面無明顯缺陷形成，如圖4b所示。但是，相比于MIG焊接，由于激光-MIG復合焊焊接速度較大，熔池凝固的時間較短，導致氣體來不及逸出，從而遺留在焊縫中形成氣孔，并且氣孔大多集中于焊縫的上表面，如圖4b所示。

圖3 焊縫宏觀形貌

圖4 焊縫橫截面形貌

3.2 焊縫微觀組織

圖5為MIG焊與激光-MIG復合焊的焊縫顯微組織，從圖中可以明顯分辨出焊縫處熔合區、熱影響區以及母材。MIG焊接接頭熔合區的顯微組織大部分為等軸晶（見圖5a），在焊縫分界處靠近焊縫熔合區一側的組織主要為粗大的柱狀晶，其生長的方向為散熱方向（見圖5b），并且MIG焊接接頭的熱影響區大于激光-MIG復合焊，這是為了保證焊縫的形成，因MIG焊接的熱輸入量大且持續時間較長導致的。特別是在MIG焊接接頭的熔合區，有氣孔生成。激光-MIG復合焊接接頭熔合區的組織也主要分布的是等軸晶（見圖5c），從熔合區到熔合線，晶粒形貌由等軸晶轉變為柱狀晶，晶粒尺寸增大，并且在熔合區，由于焊接過程中熔池中的氫氣未能及時逸出，故也形成了少量的小氣孔，如圖5d所示。

圖5 焊縫的微觀組織

3.3 顯微硬度

圖6和圖7分別是MIG焊和激光-MIG焊焊縫橫截面的顯微硬度分布情況。由圖6可知，MIG焊焊縫熔合區平均顯微硬度為76.7HV。熔合區顯微硬度高于母材，熱影響區的顯微硬度最低，這是因為鋁合金在焊接時，熱影響區出現“軟化”問題，并且從顯微組織也可以看出，焊縫熔合區的晶粒較細[11]。從圖7可以看出，激光-MIG復合焊焊縫熔合區平均顯微硬度為91.6HV，高于MIG焊接接頭熔合區的硬度值，這是因激光-MIG復合焊接接頭冷卻速率高于MIG焊而導致熔合區晶粒比較細小。同樣地，熱影響區的硬度最低。無論是MIG焊焊縫還是激光-MIG復合焊焊縫，在熔合區，焊縫中心的硬度均低于兩側，這是因為熱源中心的熱輸入量最大，冷卻速率低于兩側，因此晶粒尺寸較大，硬度偏低。但是，相比于母材和熱影響區，熔合區的硬度均最大，這主要是由于焊絲的補充，從而使得焊縫硬度得到提高。

圖6 MIG焊接接頭的顯微硬度

圖7 激光-MIG復合焊接接頭的顯微硬度

3.4 拉伸性能

為了檢測焊縫的抗拉強度，采用橫向拉伸試驗進行測量，試驗結果見表3。MIG和激光-MIG復合焊接工藝的平均抗拉強度分別為228.7MPa和256MPa，母材的抗拉強度為335MPa。MIG焊接和激光-MIG復合焊接的焊縫抗拉強度分別達到母材的68.2%和76.4%，激光-MIG復合焊接和MIG焊接試樣拉伸斷裂的位置均位于熱影響區（見圖8）。激光-MIG復合焊接接頭的抗拉強度大于MIG焊接接頭，這主要是MIG焊熱輸入量較大，鎂、鋅元素的燒損比較嚴重，并且由于MIG焊焊縫內部的氣孔孔徑較大，從而使得焊縫較易形成裂紋，最終導致接頭的抗拉強度降低[12]。

表3 拉伸試驗結果

圖8 拉伸試件斷裂形貌

4 數值模擬

4.1 網格劃分

采用多物理場耦合仿真軟件C O M S O L進行有限元計算，工件的幾何尺寸為3 0 0 m m× 150mm×10mm，為了提高計算效率和減小計算成本，將對接面進行對稱處理。在網格處理方面，將焊縫和熱影響區劃分的網格尺寸設置較小，遠離焊縫處的網格尺寸適當加大。網格模型如圖9所示。

圖9 三維網格實體模型

4.2 邊界條件

在傳熱模塊中，焊接的初始溫度為20℃，焊接過程中，工件與外界存在對流換熱和傳導熱，因此除了工件底部，其他面均為對流熱通量邊界條件，表面為對外界輻射邊界條件。

在固體力學模塊中，由于約束邊界直接對焊后工件的變形和殘余應力影響較大，因此在本次模擬中將工件視為剛體來研究。在工件表面選擇4個節點分別進行位移限制，并且4點呈矩形分布，如圖10所示。

圖10 工件固定約束分布

4.3 熱源

M I G焊接采用的熱源模型為雙橢球體熱源模型，而激光-MIG復合焊接采用熱流峰值指數遞增-錐體熱源[13]。激光-MIG復合焊和MIG焊溫度場如圖11所示。根據熱輸入量公式（1）可以得出：當激光功率為4.0kW，焊接速度為0.72m/min時，激光-MIG復合焊的熱輸入量為8.78kJ/mm，MIG焊的熱輸入量為17.49kJ/mm。

圖11 焊接溫度場

4.4 變形場模擬結果與實測結果對比

圖12為焊接結束后激光-MIG復合焊和MIG焊接的變形位移云圖和實測結果。由于在設定邊界條件時，表面上4個點為固定約束，因此未被約束的角出現了較大位移。在焊接過程中，MIG焊由于焊接速度慢，熱輸入量大，因此最大變形為1.98mm，并且焊件主要的變形都集中于焊縫及其附近（見圖12a）。從圖中可以看出，變形位移云圖以焊縫縱向中心對稱分布，圖12b是MIG焊縫縱向中心位置實際變形情況，經測量變形值為2.2mm：而激光-MIG復合焊的最大變形量僅有1.2mm。從圖12c中可以看出，激光-MIG復合焊與MIG焊變形位移場形貌類似，最大位移也出現在焊縫區域及附近，不過Z軸方向的位移大多<1mm，變形較小，而實際測量值約為1.1mm（見圖12d）。通過圖13也可以看出，模擬結果與實測結果十分相近，并且激光-MIG復合焊比MIG焊變形量小，與實際情況相吻合。

圖12 焊接變形模擬與試驗測量結果對比

圖13 激光-MIG復合焊和MIG焊沿焊接方向的撓曲變形

5 結束語

1）激光-MIG復合焊接接頭相對于MIG焊接接頭而言，焊縫的熔寬更窄，表面成形較好，熱輸入量較小。

2）MIG焊接接頭的熱影響區比激光-MIG復合焊接接頭的熱影響區大，在激光-MIG焊和MIG焊焊縫的熔合區均大部分分布的是等軸晶，并且從熔合區到熔合線，晶粒形貌由等軸晶轉變為柱狀晶，晶粒尺寸增大。

3）MIG焊接接頭和激光-MIG焊接接頭熱影響區顯微硬度均為最低，并且激光-MIG復合焊接接頭熔合區的硬度值比MIG焊接接頭大，這是由于激光-MIG復合焊接接頭冷卻速率高于MIG焊，導致熔合區晶粒比較細小。

4）MIG焊接和激光-MIG復合焊接的焊縫抗拉強度分別為228.7MPa和256MPa，激光-MIG焊接接頭的抗拉強度可達基體的76.4%。

5）結合數值模擬和試驗測量的方法，對兩種焊接方法的變形量進行了對比，模擬結果與實測結果十分相近，并且激光-MIG復合焊比MIG焊變形量小。