軌道交通鋁合金型材激光-電弧復合焊工藝適應性

展旭和,崔輝,徐良,楊海鋒,王旭友,宋坤林

(1.國家高速列車青島技術創新中心，山東 青島 266109；2.哈焊國創（青島）焊接工程創新中心有限公司，山東 青島 266109)

0 前言

鋁合金比重輕、比強度高，是典型的輕合金。鋁合金雙殼體結構型材，結構簡單，同時其強度及結構剛性優異，被廣泛應用于軌道交通車輛車體的生產中。目前，軌道交通鋁合金車體采用的焊接方法主要為MIG，該方法具有能效顯著、工況適應性強等優勢。但由于鋁合金熱導率較高，為保證焊縫的熔合及熔透，鋁合金MIG 所開設的坡口要比焊接相同厚度的鋼板所需的坡口大，德國高速鋁合金列車標準規定，用單絲/雙絲MIG 焊接高速列車鋁合金型材時，雙邊坡口的角度不得小于70°。因此，焊接過程中需要更多的填充金屬，焊接熱輸入較大，焊接速度一般在0.3～0.7 m/min。低焊接速度、高焊接熱輸入導致軌道交通鋁合金車體MIG 焊后變形較大，接頭軟化區域寬，造成焊接后續校形工作量大，車體總裝過程困難，生產效率低[1-6]。

激光-電弧復合焊技術是近20 年來鋁合金焊接領域最受矚目的焊接技術之一，研究表明：相較于傳統的電弧焊方法，激光-電弧復合焊熔透能力強，能夠降低坡口角度，并且在高速焊接（2～5 m/min）條件下，焊縫成形優良、焊接質量穩定、焊接熱輸入低、焊接變形減小，焊接質量及焊接效率得到提高[7-10]，為解決傳統MIG 焊后校形、焊接效率低及接頭軟化嚴重等問題提供了極佳的解決方案。

關于鋁合金激光-電弧復合焊接的研究已有不少，涵蓋了工藝研究及工況適應性研究等各個方面，但軌道交通用鋁合金型材不同于常見的鋁合金材料，具有輕量化程度高、壁薄、焊接厚度小、工況適應能力低、焊接難度大等特點，目前尚缺乏專門針對軌道交通鋁合金型材的激光-電弧復合焊接工況適應性研究。為此，采用激光-電弧復合焊接工藝方法，針對軌道交通鋁合金型材，對焊接生產中常出現的錯邊、裝配間隙等對焊縫成形、氣孔、組織及接頭拉伸性能的影響規律開展研究，為激光-電弧復合焊在軌道交通行業的工程化應用提供數據依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為6A01-T5 型材，型材長度為1 m，接頭厚度為3 mm，焊絲為ER5356，焊絲直徑為1.2 mm，采用高純Ar 作為保護氣體，材料化學成分見表1。

表1 6A01-T5 型材及ER5356 焊絲的化學成分（質量分數,%）

1.2 焊接工藝及設備

試驗采用激光-MIG 復合焊，所用激光輸出設備為YLS-10000-S6 激光器，波長為1 064 nm，最大輸出功率為10 kW，采用的激光輸出模式為連續模式。試驗所用焊機為CMT 焊機，焊接電流為3～400 A，由于脈沖MIG 具有熔滴過渡穩定、熔池狀態穩定及熱輸入可控等優點，故該試驗主要采用激光與脈沖模式的MIG 進行復合，焊接工藝參數見表2。

表2 激光-MIG 復合焊工藝參數

2 試驗結果

2.1 裝配間隙對焊縫質量的影響

2.1.1焊縫表面成形及氣孔

不同裝配間隙下的焊縫表面成形如圖1 所示。從圖1 可以看出，焊縫裝配間隙對焊縫的表面成形及氣孔影響較小；在試驗條件下，裝配間隙在0～1.0 mm之間，均得到了均勻穩定的復合焊焊縫表面成形。RT 探傷結果未發現氣孔。

圖1 不同裝配間隙下的焊縫表面成形

2.1.2焊縫截面成形

圖2 為裝配間隙對焊縫截面成形特征的影響。從圖2 可以看出，裝配間隙對焊縫余高影響較大；隨著裝配間隙的不斷增大，焊縫余高顯著降低，焊縫熔深及熔寬變化不大。這主要是由于隨著裝配間隙的增加，焊縫所需的填充量逐漸變大，填充量不足導致焊縫余高逐漸降低，而焊接熱輸入不變的前提下，焊縫的熔深、熔寬變化不大。

圖2 裝配間隙對焊縫截面成形特征的影響

圖3 為不同裝配間隙下的焊縫截面成形。從圖3可以看出，隨著裝配間隙的增大，焊縫截面成形逐漸失穩，開始出現凹陷，當裝配間隙為1.0 mm 時，由于填充量不足，焊縫截面出現明顯的下凹。

圖3 不同裝配間隙下的焊縫截面成形

2.1.3金相組織

基于裝配間隙對軌道交通鋁合金激光-電弧復合焊焊縫表面成形、截面成形及氣孔的影響，軌道交通鋁合金激光-電弧復合焊接推薦的裝配間隙不超過0.5 mm。圖4、圖5 分別為0 mm，0.5 mm 裝配間隙下的焊縫微觀組織。從圖4 及圖5 可以看出，2 種裝配間隙下得到的焊縫金相結果沒有明顯區別，接頭熔合區、焊縫未見氣孔、裂紋及夾渣等缺陷。

圖4 0 mm 裝配間隙

圖5 0.5 mm 裝配間隙

2.1.4拉伸性能

圖6 為0 mm，0.5 mm 裝配間隙下拉伸試樣及抗拉強度。從圖6 可以看出，裝配間隙增大至0.5 mm時，接頭的抗拉強度有所降低。基于前述研究，分析產生這種現象的原因是裝配間隙的增加，導致填充量不足，焊縫余高降低，接頭有效承載面積減少所致。盡管0.5 mm 裝配間隙時，接頭的抗拉強度有所降低，但仍然滿足相關生產需求（抗拉強度Rm≥147 MPa）。

圖6 0 mm,0.5 mm 裝配間隙下拉伸試樣及抗拉強度

2.2 錯邊對焊縫質量的影響

2.2.1焊縫表面、截面成形

圖7 和圖8 為不同錯邊量下的焊縫表面與截面成形。從圖7 和圖8 可以看出，錯邊對焊縫的表面及截面成形影響較大。當錯邊量在0.5 mm 以下時，焊縫表面成形穩定均勻，但隨著錯邊量的不斷提高，焊縫表面飛濺明顯增多；當錯邊量達到0.8 mm 及以上時，焊縫邊緣小顆粒飛濺數目增多，尺寸變大，焊縫表面成形差。產生這種現象的主要原因是錯邊量過大時，電弧穩定性變差。對于截面成形，當錯邊量過大時，變相增加了焊接厚度，熱輸入不變時，接頭根部的穩定性差；當錯邊量達到1.0 mm，焊縫根部失穩；當錯邊量繼續增加至1.5 mm 時，焊縫根部出現未熔合。

圖7 不同錯邊量下的焊縫表面成形

2.2.2焊縫組織、氣孔及接頭拉伸性能

圖9 為0.5 mm 錯邊量下的焊縫金相組織，從圖9 可以看出，軌道交通鋁合金型材組裝錯邊量對復合焊焊縫氣孔影響較小，試驗條件下，0～1.5 mm 錯邊量均得到了無氣孔的焊縫；X 射線檢測結果顯示：0.5 mm 錯邊量下的焊縫接頭熔合區、焊縫未見氣孔、裂紋及夾渣等缺陷。

圖9 0.5 mm 錯邊量下焊縫金相組織

圖10 為0 mm，0.5 mm 錯邊量下拉伸試樣及抗拉強度。從圖10 可以看出，試驗條件下，0.5mm 錯邊量下接頭抗拉強度與0 mm 錯邊量下接頭抗拉強度相當，且斷裂于熱影響區，具有一定的錯變量不會導致接頭抗拉強度降低。

圖10 0 mm，0.5 mm 錯邊下拉伸試樣及抗拉強度

3 結論

（1）裝配間隙對焊縫表面成形、氣孔及金相組織影響不明顯，對焊縫截面余高及接頭的抗拉強度影響較大，當裝配間隙g＞0.5 mm 時，焊縫填充量不足導致焊縫截面出現下凹；0.5 mm 裝配間隙下的接頭抗拉強度0 mm 裝配間隙下有所降低，但仍可滿足生產需求。

（2）錯邊量對焊縫成形影響顯著，隨著錯邊量的增加，焊縫表面飛濺增多，截面根部成形逐漸失穩；在0.5 mm 錯邊量下，焊縫成形美觀、無氣孔，接頭抗拉強度與0 mm 錯邊量下相當。

（3）激光-電弧復合焊對軌道交通鋁合金型材焊接加工的裝配間隙、錯邊適應性較強。試驗條件下，0.5 mm 裝配間隙及錯邊量以內，激光-電弧復合焊焊縫成形均勻穩定、飛濺少、無氣孔且接頭抗拉強度滿足需求。