激光熱源偏移對6mm A7N01鋁合金激光-MIG復合焊焊接頭的質量影響

單清群，劉賢軍，單　玫

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

激光熱源偏移對6mm A7N01鋁合金激光-MIG復合焊焊接頭的質量影響

單清群，劉賢軍，單玫

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

針對鋁合金激光-MIG復合焊接過程中的熱源偏移問題，采用激光-MIG復合焊對6 mm厚A7N01P-T4鋁合金進行焊接，給定熱源對中偏移，并分析無對中偏移及有對中量偏移的焊接接頭宏觀成形、微觀組織、力學性能，以此研究熱源對中偏移對6 mm厚A7N01鋁合金激光-MIG復合焊接接頭的影響。研究結果表明，有熱源對中偏移的試板接頭內部存在少量的氣孔缺陷，與無對中偏移試板相比，拉伸性能下降21 MPa。

A7N011P-T4鋁合金；激光-MIG復合焊；熱源對中偏移

0　前言

隨著我國高速鐵路事業的快速發展，實現機車車輛的輕量化已成為提高列車速度等級的關鍵措施，鋁合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕、擠壓成形性能好等優點，符合輕量化設計的要求，現已成為高速列車車體的主要材料[1]。目前，MIG焊是鋁合金的主要焊接方法，其焊接工藝及自動化水平已經較為成熟，但MIG焊具有熔深淺、熱輸入量大的特點，這導致MIG焊焊接所開坡口尺寸大，焊后變形明顯，接頭力學性能下降顯著，這些問題在鋁合金厚板焊接方面尤為突出[2-3]。

激光-MIG復合焊接技術將激光焊接與MIG焊接的優點有機結合，具有能量集中、熱輸入小等優點[4-6]，從理論上講適合對鋁合金厚板進行焊接[7]。針對A7N01鋁合金，常用的焊接方法為MIG焊接，而該焊接方法存在焊接效率低、變形及殘余應力大等缺點[8－9]。

相對于傳統MIG焊，激光-MIG復合焊結合了激光和電弧兩個獨立熱源各自的優點，是一種具有極大應用前景的新型焊接方法。在該種焊接方法下，復合熱源對中位置會影響焊縫的熔化、融合效果，并導致焊接接頭質量的大幅度下降。因此，研究熱源對中情況對焊接接頭性能的影響能對實際工程應用提供很好的參考[10]。

1　試驗材料、焊接設備及測試方法

1.1試驗材料

試驗所用材料為A7N01P-T4鋁合金，基礎狀態代號T4指的是材料經固溶處理后自然時效至穩定狀態。試驗所用焊接試樣為板材，焊接試板的尺寸為300 mm×150 mm×15 mm。填充焊絲為ER5356焊絲，直徑1.6 mm。試驗材料及填充焊絲的化學成分如表1所示。

表1　A7N01鋁合金及ER5356焊絲化學成分％

1.2焊接設備

本試驗采取MIG焊機及激光器共同搭建的激光-MIG復合焊焊接平臺。其中MIG焊接為KEMPPI KempArc-450脈沖焊機，焊機通過控制送絲速度確定焊接電壓及電流；試驗用激光器為IPG公司的YLS-4000光纖激光器，光纖芯徑為200 μm，波長為1.06 μm，聚焦透鏡的焦距310 mm，額定功率4 kW；焊接機器人為ABB公司的IRB2600型6軸機器人，臂長1.65 m，最高負荷20 kg。

1.3試驗方法

試板焊接后采用滲透探傷、射線探傷進行檢測。根據探傷情況，沿垂直焊縫方向取金相試樣，水砂紙打磨后進行拋光至無劃痕，在采用混合酸溶液（體積比HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶1.5∶2.5∶5）在室溫下進行腐蝕，腐蝕時間為20～30 s。在Zeiss光學顯微鏡下觀察焊縫金相組織形貌；采用WDW3100微機控制電子萬能試驗拉伸機，參照《GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗方法》獲取試件的拉伸性能，設定拉伸速度為5 mm/min；同時，通過彎曲試驗來評價接頭抵抗彎曲載荷的能力，檢查接頭塑性；參照《GB/T2653-2008焊接接頭彎曲試驗方法》對試件進行三點彎試驗，彎曲試驗機輥筒直徑為50 mm，試樣彎曲角α要求達到180°。

2　試驗結果與分析

2.1焊前清理與準備

本項目試驗采用機械清理，先用砂紙片對表面進行打磨來清理表面的氧化層，然后用棉花蘸取丙酮溶液對焊件表面進行擦洗來確保清理后的表面光亮，無氧化物和油污，清洗范圍為被焊試件正反面距離焊縫中心25 mm內的區域和試板側面。由于鋁合金的化學特性比較活潑，所以在清理后的4 h之內應完成焊接過程。

2.2焊接工藝參數

試驗中，焊槍與激光器同軸，采用激光先導方式，激光與試板夾角80°，焊槍與試板夾角65°，保護氣體采用99.999％氬氣。焊接參數如表2所示。試板選用單邊35°坡口，留2 mm鈍邊，1.8 mm間隙，單Y坡口型式，如圖1所示。采用該種坡口設計，可選用的焊接速度快，所需要的填充金屬量較少，焊接變形較小，且能夠獲得需要的熔深尺寸，外觀成形優良，焊縫形狀較優。

表2　焊接工藝參數

圖1　坡口形式

2.3焊接接頭外觀形貌與無損探傷

在表2的焊接參數下，焊縫宏觀成形和焊縫截面如圖2、圖3所示。由圖2可知，正面焊縫魚鱗紋成型美觀，沒有咬邊、表面凹陷等缺陷，均可獲得成形良好的焊縫。對比圖3兩種接頭的焊縫截面可以看出，焊縫熔透存在一定的差異，對中0 mm偏移量時焊縫成形較優，能夠獲得較大熔深；對中0.5 mm偏移量時，由于熱源對中位置偏移影響激光對焊縫熔池底部的攪拌作用，造成復合電弧難以深入熔池底部，導致焊縫熔深較小。

對中無偏移和對中0.5 mm偏移的兩種試板分別進行滲透和射線探傷，結果如圖4、圖5所示。滲透探傷檢驗表明，兩種接頭焊縫表面沒有微裂紋、表面氣孔等缺陷；射線探傷結果表明，對中0.5 mm時接頭內部存在少量的氣孔缺陷，造成這種結果的原因是對中偏移量影響激光對焊縫熔池底部的攪拌作用，導致氣體溢出不良。

圖2　焊縫外觀形貌

圖3　焊縫截面形狀

圖4　焊縫滲透探傷結果

圖5　焊縫射線探傷結果

2.4焊接接頭顯微組織

兩種接頭的金相顯微組織如圖6、圖7所示。對中無偏移時，焊縫區組織為柱狀晶，晶粒生長方向沿著熔池散熱方向，在焊接接頭靠近焊縫邊緣很窄的熔合區，熱影響區晶粒長大現象不明顯，母材區均為沿軋制方向生長的纖維組織。對中0.5 mm偏移量時，焊縫區組織為沿著散熱方向生長的柱狀晶，在焊接接頭靠近焊縫邊緣很窄的熔合區，熱影響區晶粒存在一定的長大現象，母材區均為沿軋制方向生長的纖維組織。

圖6　對中無偏移接頭金相組織圖

圖7　對中0.5 mm偏移接頭金相組織

2.5接頭常規力學性能

接頭抗拉強度和彎曲性能結果如表3、表4所示，接頭拉伸結果顯示對中0.5 mm偏移量的接頭拉伸性能比無偏移小21 MPa，對比圖6可以看出，若是熱源存在偏移會導致電弧不能深入坡口間隙底部，影響焊縫的熔深，同時會影響電弧的穩定性產生氣孔缺陷，影響焊縫的拉伸性能。彎曲試驗采用直徑為38 mm的壓頭，背彎效果如圖8所示，其結果表明對中接頭彎曲性能滿足相關標準要求。

表3　對中接頭焊態抗拉強度數據

表4　對中接頭焊態彎曲性能結果

圖8　對中試板彎曲結果

3　結論

（1）激光-MIG復合焊存在熱源對中偏移時，接頭內部會出現少量的氣孔缺陷，造成這種結果的原因是熱源對中偏移影響激光對焊縫熔池底部的攪拌作用，使氣體逸出不良。

（2）激光-MIG復合焊存在熱源對中偏移時，接頭彎曲性能滿足要求，接頭拉伸性能下降。與無偏中比較，強度下降21 MPa。

[1]王元良，王一戎，屈金山，等.高速列車輕量化車體材料的選擇研究[J].鋁加工，1994，17（5）：16-20.

[2]王元良，陳輝.高速列車鋁合金車體的焊接技術[M].成都：西南交通大學出版社，2012：70-72.

[3]馬志華，陳東高，譚兵，等.5052鋁合金CO2激光-MIG復合焊接工藝對焊縫成型的影響[J].兵器材料科學與工程，2012，35（2）：76-79.

[4]王威，王旭友，秦國梁，等.鋁合金激光—小功率脈沖MIG電弧復合熱源焊接特性分析[J].焊接學報，2007，28（8）：37－40.

[5]閆少華，朱宗濤，聶媛，等.7N01鋁合金激光-MIG復合焊接工藝研究[J].熱加工工藝，2014，43（3）：37-43.

[6]Petring D．Extended range of applications for laser beam welding by laser-MIG hybrid technique[J]．Laser Opto，2001，33（1）：50-56.

[7]張傳臣，陳芙蓉.厚板高強鋁合金焊接發展現狀及展望[J].電焊機，2007，37（7），6-11

[8]王元良，駱德陽，王一戎.我國高速列車焊接技術及其新發展[J].電焊機，2008，38（8）：8－12.

[9]王旭友，王威，林尚揚.焊接參數對鋁合金激光——MIG電弧復合焊縫熔深的影響[J].焊接學報，2008，06∶13-16，113-114.

[10]許良紅，田志凌，彭云，等.高強鋁合金的MIG以及激光-MIG焊接工藝對比[J].焊接學報，2007，02∶38-42+115.

Influence of heat source central deviation on the quality of welded joint of 6 mm thickness A7N01 aluminum alloy by laser-MIG hybrid welding

SHANG Qingqun，LIU Xianjun，SHAN Mei
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

For the problems of heat source deviation in laser-MIG hybrid welding,the 6mm thickness A7N01P-T4 aluminum alloy is conducted by laser-MIG hybrid welding and the heat source central deviation is investigated.And the macroscopic shaping, microstructure and mechanical properties of welded joints with deviation and without deviation are analyzed to research the influence of heat source central deviation on the welded joint of Laser-MIG hybrid welding.The results show that a small quantity of blowhole defect exists inside the welded joint of test plate with heat source central deviation,and its tensile property decreases 21 MPa in contrast of the plate without heat source central deviation.

A7N01P-T4 aluminum alloy；laser-MIG hybrid welding；heat source central deviation

TG456.7

A

1001－2303（2016）05－0097-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.21

2016－02－12；

2016－03－10

單清群（1963—），男，山東青島人，工程師，學士，主要從事軌道車輛制造過程質量檢測的研究工作。