坡口尺寸對鋁合金激光-MIG復合焊焊縫成形及力學性能的影響

馬寅，韓曉輝，楊志斌，馬征征

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術工程部，山東 青島 266111；2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028)*

鋁合金車體具有重量輕、強度高、耐蝕性優、外觀平整度好等優點而受到國內外軌道列車制造企業的青睞，尤其是在高速列車車體制造中的應用越來越廣泛[1-2].MIG焊是常用鋁合金熔化焊方法，具有成本低、間隙容忍性好等優點，但存在熱輸入不集中、熱影響區大、焊接速度低等缺點[3].激光-MIG復合焊兼具激光焊和MIG焊優點，具有焊接變形小、深寬比大、焊接速度快、成形質量高等優點，可以達到常規MIG焊難以實現的效果，已經成為鋁合金車體焊接制造的理想技術[4].

然而，激光-MIG復合焊單次熔透能力有限.因此鋁合金中厚板激光-MIG復合焊時，需要采用開坡口工藝以提高其熔透能力及接頭成形質量[5].坡口形式及尺寸不僅影響焊接成本，而且影響接頭的成形質量及力學性能[6-7].國內外學者針對不同坡口形狀對激光-MIG復合焊接頭成形質量及力學性能開展了許多研究工作并取得了一定的研究成果.林賢軍等人[8]研究了坡口形式對鋁合金激光-MIG復合焊接頭組織及力學的影響，結果表明Y形坡口較I形坡口可以降低接頭氣孔缺陷含量并提高抗拉強度，坡口形式對接頭顯微組織影響不大.解贊華等人[9]研究了坡口尺寸對低合金高強鋼激光-電弧復合焊接頭力學性能的影響，指出坡口角度和鈍邊高度對接頭的抗拉強度影響顯著.現階段對中厚板鋁合金激光-MIG復合焊坡口尺寸變化對焊縫成形質量及其接頭力學性能影響方面的研究較少.

本文以6 mm厚6082-T6鋁合金為研究對象，研究坡口角度和鈍邊高度對激光-MIG復合焊焊縫成形、氣孔缺陷及拉伸性能的影響，為選擇最佳的坡口尺寸、提升焊縫成形質量及接頭力學性能提供試驗依據.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗母材采用6 mm厚6082-T6鋁合金板材，尺寸為300 mm×200 mm×6 mm；填充材料采用直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲；母材及焊絲的主要化學成分如表1所示.焊前對機械打磨試板以去除表面氧化膜及油污.

表1 試驗母材和焊絲的主要化學成分 %

1.2 焊接工藝

試驗采用Y形坡口對接焊，坡口角度分別為30°、45°和60°，鈍邊高度分別為2、3和4 mm，試板組對間隙為0 mm，實現單面焊雙面成形.試驗采用IPG YLS-6000光纖激光器，波長為1.06μm，光斑直徑為0.2 mm；MIG焊電源為FRONIUS TPS 500i CMT焊接電源，通過調節送絲速度確定電弧電流和電弧電壓.采用激光在前電弧在后的方式，激光和焊槍與試板夾角分別為80°和60°，采用高純氬氣為保護氣，保護氣流量為20 L/min，熱源間距為3 mm、離焦量為-2 mm.接頭形式、試驗裝置及方法如圖1所示.根據前期大量的探索試驗，不同坡口尺寸對應的其它焊接工藝參數如表2所示.

表2 不同坡口尺寸對應的焊接工藝參數

(a) 試驗裝置及坡口尺寸

(b) 焊接方法示意圖

1.3 試驗方法

根據GB/T 26955-2011標準，利用KEYENCE VHX-1000E三維顯微鏡觀察焊縫宏觀成形；根據GB/T 3323.1-2019標準，利用XXG-2505型工業X射線探傷機檢測氣孔缺陷；根據GB/T 228.1-2010標準，利用WDW-300E電子萬能試驗機進行拉伸試驗，最終結果取自3個平行試樣結果的平均值，利用ZEISS SUPRA55掃描電子顯微鏡分析斷口的微觀特征.

2 試驗結果及分析

2.1 坡口尺寸對焊縫成形的影響

不同坡口尺寸對應的焊縫橫截面及表面成形如圖2所示.通過對比可以發現：鈍邊高度相同時，隨坡口角度增加焊縫正面熔寬、背面余高及熔寬均呈現增加趨勢，這是是由于坡口角度增加需要更大的送絲速度而使MIG焊焊接熱輸入增加所導致的；坡口角度相同時，隨鈍邊高度增加焊縫深寬比逐漸變大，這是由于所需的填充材料減少而使MIG焊焊接熱輸入減小所導致的.鈍邊高度為2 mm和3 mm時，坡口角度增加焊縫表面下塌越來越嚴重，這主要是因為焊縫背面熔寬增加，鋁合金流動性好表面張力小促使液態金屬流向熔池背部而導致的.因此，從焊縫成形來看，鈍邊高度4 mm、坡口角度60°有利于獲得較優的焊縫成形質量.

(a) 鈍邊高度2 mm

(b) 鈍邊高度3 mm

(c) 鈍邊高度4 mm

2.2 坡口尺寸對氣孔缺陷的影響

不同坡口角度條件下焊縫X射線檢測的結果如圖3所示.可以發現：鈍邊高度3 mm、坡口角度30°和鈍邊高度4 mm、坡口角度30°及45°時，焊縫內部均出現氣孔缺陷，尤其是鈍邊高度4 mm、坡口角度30°時甚至存在大量的小尺寸氣孔，其余鈍邊高度和坡口角度條件下均未發現氣孔缺陷.此外，鈍邊高度相同時，增加坡口角度氣孔缺陷數量呈現減少趨勢；坡口角度相同時，增加鈍邊高度使氣孔缺陷含量增加.這主要是因為鈍邊高度較大、坡口角度較小時，焊接形成的液態熔池較小，熔池凝固速度較大，不利于液態熔池內部氣泡逃逸而在凝固階段禁錮在焊縫中[10].

(a) 鈍邊高度2 mm

(b) 鈍邊高度3 mm

(c) 鈍邊高度4 mm

2.3 坡口尺寸對拉伸性能的影響

根據坡口尺寸對焊縫成形質量研究結果，選取焊縫成形無下塌接頭進行拉伸性能試驗，選取坡口尺寸及相應拉伸試驗結果,如表3所示.結果表明：焊縫內部氣孔缺陷明顯降低了接頭的抗拉強度及斷后伸長率；焊縫內部無氣孔缺陷時，坡口角度和鈍邊高度對接頭抗拉強度影響不明顯，接頭抗拉強度最高為255.1 MPa，達到母材抗拉強度的82.3%.

表3 不同坡口尺寸條件下接頭的拉伸性能

試驗結果發現拉伸試樣有兩種典型斷裂特征，分別如圖4、圖5所示.當焊縫內部無氣孔缺陷時，拉伸試樣斷裂在焊縫熱影響區，如圖4(a)所示，這是因為該區域因接頭軟化而成為最薄弱環節，斷裂路徑幾乎平行于熔合線，微觀斷口發現大量的韌窩特征，如圖4(c)所示，接頭呈現韌性斷裂的特征.當焊縫內部存在大量氣孔缺陷時，拉伸試樣斷裂于焊縫區，試樣幾乎以正斷形式斷裂，如圖5(a)所示，宏觀斷口發現氣孔缺陷，如圖5(b)所示，微觀斷口除存在大量較淺的韌窩以外，局部存在典型的準解離面和河流花樣，如圖5(c)所示.接頭呈現韌性斷裂和脆性斷裂的復合斷裂特征.這表明氣孔缺陷的存在減小了焊縫有效承載面積而顯著降低了接頭的抗拉強度，并改變了接頭的斷裂特征.

圖4 焊縫內部無氣孔缺陷試樣的斷裂位置及斷口特征

圖5 焊縫內部有氣孔缺陷試樣的斷裂位置及斷口特征

3 結論

(1)焊縫正面熔寬、背面余高及正面下塌量隨坡口角度增加而增大；增加鈍邊高度有利于提高焊縫深寬比；

(2)增加坡口角度有利于降低焊縫內部氣孔缺陷數量，增加鈍邊高度則導致焊縫內部氣孔缺陷數量增加；

(3)焊縫內部無氣孔缺陷時，坡口尺寸對接頭抗拉強度影響不明顯，接頭抗拉強度最高為255.1 MPa，達到母材抗拉強度的82.3%，試樣斷裂于焊縫熱影響區，接頭呈現韌性斷裂特征；

(4)當鈍邊高度為4 mm、坡口角度為60°時，在適當的工藝參數下可以獲得成形質量優、無氣孔缺陷和拉伸性能高的復合焊接頭.