焊接速度對車身激光-MIG復合焊接的影響

張 瑜

（江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院，無錫 214000）

目前，人們對汽車相關的加工技術提出了更高的技術要求，需要更高效、高質量的焊接技術與其匹配。針對焊接加工中存在的耦合、氣孔、焊縫成形以及接頭強度等實際問題，需要合理采用激光-熔化極惰性氣體（Metal Inert-Gas，MIG）復合焊技術，并從焊接速度等角度優化焊接技術克服。

1 激光-MIG復合焊接技術的相關概念

1.1 與單獨激光焊、電弧焊間的區別

近年激光技術發展迅速，大幅降低了激光器成本，使得激光焊接、電弧焊接等得到了廣泛研究，并逐漸應用于航空航天、裝備制造以及汽車制造等領域。激光電弧復合焊有很多種類，包括CO2激光焊與非熔化極氣體保護焊（Tungsten Inert Gas，TIG）電弧焊的復合技術、YAG激光焊與MIG電弧焊的復合技術、YAG激光焊與等離子電弧焊的復合技術等。激光-MIG電弧的復合焊接技術是一種復雜的激光電弧復合焊，在汽車加工中應用范圍最廣、潛力最大。

激光-MIG復合焊接的實踐應用證明，該技術應用范圍廣且焊接質量高。在焊接質量方面，該技術焊接質量大于單獨激光焊接的質量或單獨MIG電弧焊的質量。這是由于汽車車身工件裝配對焊接間隙要求高，單獨的激光焊或MIG電弧焊均存在較大局限性[1]。

單獨激光焊接的局限性體現在激光束直徑小，熱作用區域窄，難以滿足焊接間隙的要求。加工車身時，單獨激光焊接中激光光束難以滿足要求，導致加工反射率或導熱系數較高的車身材料時容易發生裂紋、氣孔以及焊縫成型差等問題。

單獨MIG電弧焊局限性體現在其單道焊縫熔池較淺，加工厚板多層車身鋼材時難以深入底部，容易造成側壁引弧、坡口寬度等問題。另外，應用該技術焊接車身材料時，雖然熱輸入大，但難以控制熱影響區，易形成裂紋。

激光-MIG復合焊利用激光形成的等離子體與電弧進行耦合，因兩者間存在電、磁相互作用進行焊接，能一定程度避免以上的焊接問題。一方面，激光等離子體與電弧相遇后能形成帶電粒子的導電通道，從而使激光等離子體的帶電粒子與金屬蒸汽進入電弧，使等離子體電子密度大幅減小，以減少對激光能量的反射、散射與吸收，提高了激光能量利用率。另一方面，由于激光等離子體能為電弧提供非常穩定的斑點，引導電弧向該斑點偏移，提高了耦合電弧的溫度與電離度，從而提高了電弧焊接的穩定性。

1.2 激光-MIG的復合焊接技術的加工特點

激光-MIG的復合焊接技術涉及焊接熔滴過渡，耦合過程復雜，耦合不好會使熔滴受力大小與方向出現變化，導致激光與電弧的間距太大或電弧軸線和焊絲軸線間的夾角過大，導致沿焊絲方向的促使熔滴過渡更快，發生的合力大幅降低，出現不穩定熔滴形式。因此，需要考慮耦合對熔滴受力和過渡形式的作用。

另外，焊絲末端熔化產生的液體金屬會在重力、電磁力、張力以及等離子流力等力的作用下出現脫離進入熔池出現熔滴過渡。為使熔滴沿焊絲軸脫落，需保證與焊絲方向平行的使熔滴過渡的力大于阻礙該過程發生的合力。

1.3 激光-MIG復合焊接的技術優勢

相比單一激光焊接或單一電弧焊接技術，激光-MIG復合焊接的優勢主要體現在其良好的搭橋能力和高導熱系數，能適應車身焊接中較大焊接間隙與小電流穩定焊接的需求。該技術焊接速度較快，熱輸入小，易于控制焊接熱影響區。基于熔池凝固速度慢的特性，它能有效清除加工位置的氣孔、裂紋等缺陷。

1.4 激光-MIG復合焊接的關鍵參數

1.4.1 保護氣體

常用的保護氣體有He、Ar及二者的混合氣體。保護氣體不同，電離能也不同，所得等離子體大小也不同。使用He氣會形成體積小的等離子體，有利于母材吸收激光能量。但是，熔滴過渡會較復雜，易出現嚴重焊接飛濺。使用Ar氣會形成大體積等離子體，不適用于窄間隙坡口的焊接。使用He與Ar混合氣體，焊接車身時過程更可控、更穩定，且具備較高的能量利用率[2]。

1.4.2 激光功率

激光功率對熔深、焊接效率等具有重要影響。在進行車身單道熔透焊接時，為提高效率，會選擇大功率激光以充分發揮激光的密度優勢。在進行非熔透焊接時，需合理控制激光功率。這是由于加工時激光引導電弧進入坡口底部進行窄間隙焊接，激光功率過大會使激光匙孔不穩定，在匙孔閉合后會有一些氣泡無法逸出形成氣孔，而功率過小則無法保證焊接深度。

1.4.3 激光與電弧的間距

激光與電弧的間距即等離子體與電弧間的耦合參數，會對焊接的穩定性產生影響。二者間距過小時，激光匙孔噴出的蒸汽形成的反作用力會阻礙熔滴過渡出現較大飛濺。二者間距過大，會因二者間過強的相互作用導致電弧沿焊絲方向發生彎曲，減小電磁力、等離子流力沿焊絲方向的作用力，不斷增大熔滴，最終使二者分離[3]。

可見，激光-MIG復合焊作為新型焊接技術雖然具備許多優點，但要想真正實現高效率、高質量的焊接，還需要根據具體的加工環境合理調整工藝參數。

2 焊接速度在車身激光-MIG復合焊接過程中的影響試驗

2.1 試驗材料

研究選擇的激光器型號為IPGYLS-4000，激光波長為1.07 μm，光斑直徑為200 μm，最大功率為4 kW。采用的脈沖焊機型號為KEMPPIKempArc-450，復合焊接采用旁軸復合方式，激光在前作為電弧的引導，光絲間距為3 mm，采用He、Ar混合保護氣體。試驗所用的加工材料為常用于高速列車車身制造的6N01型鋁合金材，熱處理狀態是T5。試驗采用的試板長、寬、高分別為300 mm、150 mm、3 mm。平板對接焊要求無預留間隙，采用焊絲為直徑1.2 mm的鋁合金焊絲。焊接前，利用機械對試樣材料表面進行打磨，再用無水乙醇進行擦拭，去除材料的氧化膜和油污。

2.2 試驗過程

先進行單獨的激光焊接試驗，在選擇出合適激光功率的基礎上加快焊接速度，以保證材料能夠充分焊透，不出現未熔合、未焊透等問題[4]。根據接頭熔透的具體情況調整焊接速度區，確定相關參數并進行復合焊接。最后，進行焊后分析，包括探傷、觀察接頭形貌與金相組織、測試接頭各區域硬度等內容。

2.3 試驗結果與分析

試驗選擇材料、尺寸等參數相同但速度不同的兩種復合焊接頭進行對比試驗。試驗分析時，利用顯微鏡觀察焊縫成形情況。圖1為高速焊頭與低速焊頭加工的焊縫表面的形貌圖。可以發現：低速復合接頭的表面呈明顯魚鱗紋，成形較好，焊縫周邊只有極少小尺寸焊瘤，接頭橫截面熔化的區域較大，兩側熔合線近乎平行；高速復合焊的焊道更平直，周邊母材的表面更平滑，沒有明顯飛濺，接頭橫截面為酒杯型，且沒有咬邊、駝峰等焊接缺陷[5]。

利用X射線探傷設備進行探傷，圖2為焊縫X射線探傷結果。可見，低速復合焊的焊縫存在較大氣孔，高速復合焊的焊縫內存在小尺寸氣孔，但高速復合焊孔密集度較前者更大。這是由于低速焊接時熱輸入較大，使熔池存在較長時間，導致氣泡上浮時聚集變大且來不及逸出。高速焊接的熔池體積小、邊緣溫度差異大，小氣泡聚集前熔池已凝固。

圖1 焊縫表面形貌

圖2 焊縫探傷圖

雖然低速焊、高速焊的焊縫組織都由固溶體與共晶組織構成，柱狀晶形態均為靠近熔合線側的因溫度差而形成的晶體形態，但是基于激光-MIG焊使用填充焊絲的技術特性和柱狀晶體具有強方向性的特征，焊縫成分會與加工母材存在金相組織上的差異。焊接速度不同時，因熱輸入情況不同，金相組織會呈現不同的細密程度，同樣熱影響區也存在差異。試驗利用顯微鏡、掃描鏡等設備觀察金相組織，分析熱影響區。金相組織防線方面，高速焊的焊縫組織更細密，低速焊的焊縫組織較粗大。熱影響區方面，基于焊接熱循環的影響，低速焊較高速焊熱影響區塊狀析出物的尺寸更大，彌散分布中點狀強化相對更少，有利于降低熱影響區沉淀效果[6]。

使用硬度儀等設備和MATLAB軟件分析接頭硬度分布情況。根據維氏硬度測量技術測量各接頭區域硬度值，得到垂直焊縫方向上的硬度分布情況，如圖3所示。填充的焊絲硬度低于加工母材硬度時，兩種工藝中焊縫硬度均低于母材硬度，且二者焊縫中心位置的硬度差異不大。但相比低速焊，高速焊的單側熱影響區的寬度明顯更小。

圖3 接頭硬度分布圖

根據圖3中不同距離的硬度值可發現，隨著距離焊接焊縫中心距離的增加，熱影響區的硬度呈現先減小后增大的變化，表明焊接過程中焊縫垂直區域出現了較大的溫度梯度。這是由于靠近焊接位置的母材會因高溫發生溶解，快速冷卻時形成過飽和的固溶體，而在隨后的自然時效中，母材中的鎂、硅等原子發生偏聚，使得該區域材料硬度遠高于焊縫。但是，距離焊縫中心較遠的熱影響區，因溫度較低，材料難以充分溶解，無法聚集粗化，最終導致該區域硬度下降。

3 結語

文章在研究激光-MIG焊接技術相關概念的基礎上，針對6N01這一鋁合金材料，從焊接速度參數的變化方面探究了激光-MIG復合焊接的實際應用效果。試驗發現，在保證焊縫熔透的基礎上，采用較高的焊接速度能使焊縫起弧端內氣孔的尺寸更小，獲得更好的焊縫形貌。高速復合焊有利于減少焊接出現咬邊、飛濺以及裂紋等缺陷，且焊接變形較小，焊縫周圍能獲得較高的硬度。