6061鋁合金超聲波輔助激光焊接變形控制研究

陳根余，江東遠(yuǎn)，王 彬，陳兵華，鐘沛新，王竟如

(1.湖南大學(xué) 激光研究所，長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；3.大族激光智能裝備集團(tuán)有限公司，深圳 518103)

引 言

鋁合金具有優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能、良好的抗腐蝕能力以及較好的加工性能[1-2]，但密度相對(duì)傳統(tǒng)鋼材來(lái)說(shuō)卻更低，因此能夠廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天這些對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度和輕量化有著較高要求的行業(yè)中。激光焊接憑借焊接熱影響區(qū)較小、焊接質(zhì)量好等特點(diǎn)而成為主流焊接方式之一[3-5]。盡管如此，由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大、彈性模量低以及熱膨脹系數(shù)大而導(dǎo)致在焊接過(guò)程中極易出現(xiàn)變形[6]，在焊接鋁合金薄板時(shí)該問(wèn)題更是嚴(yán)重。

目前消除焊接變形的方法主要有隨焊錘擊法、反變形法、剛性固定法、焊前預(yù)熱法等[7-12]。近年來(lái)，超聲波憑借其在金屬熔體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)、熱效應(yīng)等[13-14]而逐漸被應(yīng)用到焊接領(lǐng)域當(dāng)中，目前超聲波在焊接中的應(yīng)用主要還是集中在改善焊接氣孔缺陷、細(xì)化晶粒、提高接頭強(qiáng)度[15-17]等方面，在抑制變形方面的研究還較少，但是已有的研究中已經(jīng)證明了超聲波抑制焊接變形的可行性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的LI[18]進(jìn)行了實(shí)時(shí)超聲沖擊焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明,當(dāng)超聲波作用于彈塑性溫度轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)對(duì)最大主應(yīng)力及縱向應(yīng)力的減小效果最明顯，在800W超聲波作用下分別減小了20.92%和24.29%。華僑大學(xué)的HUANG[19]采用隨焊超聲波激振方法對(duì)LY12鋁合金進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明,當(dāng)激振距離為22mm時(shí)，焊后試件的最大撓度僅為0.9mm，較常規(guī)焊接減小了89.6%。

針對(duì)鋁合金薄板在激光焊接后的變形大問(wèn)題，本文中以1mm厚6061鋁合金薄板為研究對(duì)象展開了超聲波輔助激光焊接試驗(yàn)研究，探究超聲波抑制變形的作用，并探尋合適的工藝參量以獲得變形較小的試件。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中所使用的材料為6061鋁合金，試件尺寸為150mm×50mm×1mm，試件的化學(xué)成分如表1所示。在焊前使用400#砂紙對(duì)試件表面進(jìn)行打磨將氧化膜去除，隨后用無(wú)水乙醇對(duì)試件進(jìn)行擦拭和清潔，并在風(fēng)干后的24h內(nèi)完成焊接試驗(yàn)。

試驗(yàn)中使用的激光器為YLS-8000型激光器，激光頭為WHH10-N-FC150FF300型焊接頭，超聲波發(fā)生器采用SONIC2000WA-20型發(fā)生器,該發(fā)生器的振動(dòng)頻率是20kHz，最大功率2000W。在焊接過(guò)程中，將焊接頭與超聲波振動(dòng)頭固定在KR30 HA六軸機(jī)器人上，而試件則通過(guò)夾具固定在試驗(yàn)平臺(tái)上，通過(guò)控制機(jī)器人的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的焊接。焊接時(shí)，通過(guò)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向以及夾具將超聲波振動(dòng)頭置于激光熱源后端且距離熱源35mm。焊接試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

Table 1 Mass fraction table of chemical composition of 6061 aluminum alloy

Fig.1 Ultrasonic assisted laser welding system

1.2 試驗(yàn)方案

為了探究超聲波的引入對(duì)焊接變形量的影響，采用了單因素試驗(yàn)方法，研究超聲波功率的變化對(duì)焊接變形量的影響規(guī)律，焊接試驗(yàn)參量如表2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，還采用了背部吹氣的方法以保證焊接質(zhì)量，正面及背面保護(hù)氣均采用純度為99.9%的氬氣。

Table 2 Single factor experiment parameters

為分析常規(guī)焊接參量及超聲波功率對(duì)焊接變形量的影響程度,并且獲得控制焊接變形的最優(yōu)工藝參量組合，設(shè)計(jì)了包括激光功率、離焦量、焊接速率、保護(hù)氣流量及超聲波功率在內(nèi)的五因素五水平正交試驗(yàn)表，如表3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

焊后殘余內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面，分別是熱導(dǎo)致的不均勻冷卻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，以及力導(dǎo)致的局部塑性變形[20]，焊接殘余內(nèi)應(yīng)力正是這兩者的共同作用所引起，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力的大小超過(guò)焊件的臨界失穩(wěn)應(yīng)力時(shí)，焊件就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)變形[21]。

Table 3 Orthogonal experiment parameters

試驗(yàn)中試件的焊后變形主要表現(xiàn)為撓曲變形及角變形，兩者的最大值分別出現(xiàn)在與焊接方向平行的兩邊上及與焊接方向垂直的兩邊上，故本文中將待測(cè)試件放置于量板上，然后使用高度尺(由最小刻度為0.02mm的游標(biāo)卡尺以及磁力座組成)分別對(duì)撓曲變形最大值所在邊及角變形最大值所在邊進(jìn)行測(cè)量，將得到的最大值分別作為最終的撓曲變形量以及角變形量結(jié)果。

2.1 超聲波功率對(duì)焊接變形的影響

焊接變形量與超聲波功率的關(guān)系如圖2所示。由圖可以看到，在未施加超聲波時(shí)，試件焊后產(chǎn)生的撓曲變形為5.5mm，角變形為2.39mm，施加超聲波之后變形明顯下降，而且隨著超聲波功率的增大，不論是撓曲變形還是角變形都在持續(xù)地降低，當(dāng)超聲波功率增加到800W時(shí)，試件的撓曲變形降低到了2.68mm，角變形則降低到了1.16mm。

Fig.2 Influence of ultrasonic power on welding deformation

超聲波對(duì)焊接變形的抑制作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是當(dāng)超聲波振動(dòng)頭在焊縫中心處施加超聲振動(dòng)時(shí)，高頻的振動(dòng)將對(duì)焊縫產(chǎn)生持續(xù)的沖擊，在沖擊力的作用下，作用區(qū)域附近的金屬將產(chǎn)生一層塑性應(yīng)變層，同時(shí)引起受擊位置產(chǎn)生微觀的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得該區(qū)域產(chǎn)生微觀的塑性變形，這兩部分塑性變形共同作用使得焊縫處的殘余內(nèi)應(yīng)力得到釋放而減小；二是焊縫在熔化及凝固的過(guò)程中超聲波在其中產(chǎn)生的空化、聲流以及熱等效應(yīng)，使得熔池的流動(dòng)狀態(tài)以及流動(dòng)的劇烈程度發(fā)生改變，進(jìn)而發(fā)生熔池溫度梯度減小、焊縫不同區(qū)域的成分更均勻化等現(xiàn)象，受此影響，焊縫中的溫度分布將更加均勻，組織偏析現(xiàn)象也得到了改善，組織分布更加均勻，因此,熱應(yīng)力以及相變殘余應(yīng)力也都將會(huì)有所減小。在超聲波功率增大的過(guò)程中，其對(duì)焊縫所產(chǎn)生的沖擊力以及在熔池中產(chǎn)生的空化、聲流和熱等效應(yīng)也有顯著的增強(qiáng)，因而上述過(guò)程所產(chǎn)生的效果也會(huì)得到提高，故試件中的殘余內(nèi)應(yīng)力將不斷減小，最后宏觀表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果就是試件的撓曲變形以及角變形在不斷提高的超聲波功率的作用下不斷減小。

通過(guò)上述的分析可以初步認(rèn)為,使用超聲波輔助激光焊接可以有效地減小焊件在激光焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的變形，且該效果將隨著超聲波功率的增加而增強(qiáng)，因而為了在進(jìn)行激光焊接時(shí)獲得焊接變形較小的焊件，應(yīng)該選擇較大的超聲波功率參量。各組試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

Fig.3 Single factor experiment results of ultrasonic power

2.2 正交試驗(yàn)分析

為了探究常規(guī)焊接參量和超聲波功率對(duì)焊接變形的影響程度以及獲得能夠得到最小邊形量的最優(yōu)工藝參量組合，設(shè)計(jì)了包括激光功率、焊接速率、離焦量、保護(hù)氣流量以及超聲波功率在內(nèi)的五因素五水平L25(55)正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)各組參量及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

采用極差分析法對(duì)表4中得到的結(jié)果進(jìn)行分析。

Table 4 Result of orthogonal experiment

首先對(duì)每個(gè)因素中的每個(gè)水平所得到的撓曲變形量及角變形量進(jìn)行求和并填入表5中，其中撓曲變形量結(jié)果對(duì)應(yīng)表5中的Tik，角變形量則對(duì)應(yīng)表5中的Sik， 下標(biāo)i表示水平數(shù)，k表示因素?cái)?shù)；隨后計(jì)算各因素結(jié)果之和的極差并填入表5中，其中撓曲變形量極差結(jié)果對(duì)應(yīng)表5中的RT，角變形量極差結(jié)果對(duì)應(yīng)表5中的RS。

極差對(duì)應(yīng)了該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，極差的數(shù)值越大，說(shuō)明該因素越活潑，它的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，反之說(shuō)明該因素越保守，它的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越小。因此，通過(guò)對(duì)表5中的RT以及RS進(jìn)行排序進(jìn)而得到了各因素分別對(duì)試件焊后撓曲變形及角變形的影響程度的排序，結(jié)果如下：首先對(duì)于撓曲變形來(lái)說(shuō)，對(duì)其影響最大的因素是焊接速率B因素，之后分別是激光功率A因素、超聲波功率E因素、保護(hù)氣流量D因素和離焦量C因素；而對(duì)角變形來(lái)說(shuō)，對(duì)其影響最大的依然是焊接速率B因素，但是其它因素的影響程度與撓曲變形有所不同，后續(xù)的排序分別是超聲波功率E因素、激光功率A因素、離焦量C因素和保護(hù)氣流量D因素。

為了獲得最優(yōu)工藝參量組合，需要根據(jù)T值以及S值的大小來(lái)判斷，由于試驗(yàn)需要得到的結(jié)果是焊后變形量最小的試件，因此,應(yīng)當(dāng)是選擇T值或者S值最小的那一水平作為最優(yōu)水平。根據(jù)表5中的結(jié)果可知，對(duì)于撓曲變形來(lái)說(shuō)，其最優(yōu)水平組合為：A1，B5，C4，D5，E5；而對(duì)于角變形來(lái)說(shuō)，其最優(yōu)水平組合為：A1，B5，C2，D5，E5，即理論上能夠獲得最小撓曲變形的最優(yōu)工藝參量組合為：激光功率A1=1000W、焊接速率B5=6m/min、離焦量C4=-1mm、保護(hù)氣流量D5=20L/min、超聲波功率E5=800W。理論上能夠獲得最小角變形的最優(yōu)工藝參量組合為：激光功率A1=1000W、焊接速率B5=6m/min、離焦量C2=+1mm、保護(hù)氣流量D5=20L/min、超聲波功率E5=800W。為了確定上述最優(yōu)工藝參量組合的效果，采用上述兩組工藝參量組合進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

Table 5 Analysis of orthogonal test results

Table 6 Experimental results of theoretical optimal process parameters

從表6可以看到，由理論最優(yōu)工藝參量組合分別得到的撓曲變形量和角變形量均大于正交試驗(yàn)表中出現(xiàn)的最小值，因此，通過(guò)計(jì)算分析得到的工藝參量組合并非最優(yōu)工藝參量組合，實(shí)際最優(yōu)工藝參量組合應(yīng)該為表4中出現(xiàn)的第3組參量，即激光功率為1000W、焊接速率為5m/min、離焦量為+1mm、保護(hù)氣流量為15L/min、超聲波功率為800W，此參量下得到的試件的撓曲變形量為0.42mm，角變形量為0.26mm，結(jié)果如圖4所示。

Fig.4 Specimen with minimum deformation

2.3 接頭抗拉強(qiáng)度測(cè)試

圖5所示為不同超聲波功率下試件的抗拉強(qiáng)度。

Fig.5 Effect of ultrasonic power on tensile strength of specimens

在未施加超聲波時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度僅為177.93MPa，施加超聲波后抗拉強(qiáng)度顯著提高，且隨著超聲波功率的增加，試件的抗拉強(qiáng)度也呈現(xiàn)提高的趨勢(shì)，在超聲波功率為800W時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度為199.2MPa，達(dá)到了母材的84.13%。

同時(shí)，為了判斷獲得的最小變形試件的拉伸性能是否滿足應(yīng)用要求，本文中采用了ISO 15614-2-2005標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)不同組別的鋁合金材料的拉伸強(qiáng)度應(yīng)用要求進(jìn)行了規(guī)定，具體評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表7所示。

Table 7 ISO 15614-2-2005 application standard of tensile strength for different groups of aluminum alloy

表7中φ表示接頭效率系數(shù)，可以用公式φ=Rm,w/Rm,PM來(lái)表示，其中Rm,w表示處于焊后狀態(tài)的焊接式樣的抗拉強(qiáng)度，而Rm,PM表示母材的抗拉強(qiáng)度，從公式也可以看出,φ代表了焊后試件拉伸強(qiáng)度對(duì)母材拉伸強(qiáng)度的占比,表中T4～T6分別為不同的金屬熱處理工藝狀態(tài)。而為了判斷本文中使用的材料屬于哪一個(gè)組別，參照了ISO/TR 15608:2017標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的分組細(xì)則如表8所示。

Table 8 ISO/TR 15608:2017 grouping system for aluminum and aluminum alloys

本文中所使用的6061鋁合金屬于Al-Mg-Si鋁合金，因此按照表8的分組規(guī)則應(yīng)當(dāng)屬于23.1組別的鋁合金，再對(duì)照表7可知，試件的拉伸強(qiáng)度至少應(yīng)該達(dá)到母材的70%(即165.75MPa)，才能夠符合實(shí)際應(yīng)用的要求。

將第2.2節(jié)中正交試驗(yàn)各組參量所得到的試件按照變形量有小到大進(jìn)行排序，取其中的前5組進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，即對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)中的第3組、第21組、第15組、第8組、第1組試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

Table 9 Results of tensile strength of specimens with small deformation

由表9中的數(shù)據(jù)可以看到，試驗(yàn)編號(hào)為3號(hào)和1號(hào)的試件的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到應(yīng)用要求，且試件的拉伸強(qiáng)度并沒(méi)有隨著焊接變形的增大而呈現(xiàn)規(guī)律性變化，因此推測(cè)焊接變形與試件的抗拉強(qiáng)度之間并沒(méi)有明顯的聯(lián)系。為探究上述兩組試件抗拉強(qiáng)度不合格原因，后續(xù)轉(zhuǎn)向了觀察焊縫的表面成形，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩組試件的焊縫成形與其它組相比焊縫較窄，出現(xiàn)了多處焊漏的現(xiàn)象，焊縫成形質(zhì)量較差，如圖6所示，這主要是由于在焊接這兩組試件時(shí)所使用的激光功率過(guò)小而且焊接速度過(guò)大造成的，進(jìn)而導(dǎo)致了焊縫的強(qiáng)度較低。因此，從上述分析可知，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,不能僅為了實(shí)現(xiàn)變形小的目的而采取過(guò)于極端的工藝參量從而導(dǎo)致焊接質(zhì)量的下降，而是應(yīng)該兼顧這兩者，在保證焊接質(zhì)量的前提下再考慮將焊接變形降低。

Fig.6 Weld front morphology of unqualified test piece a—No.3 test piece b—No.1 test piece

3 結(jié) 論

(1)施加超聲波可以顯著減小焊接變形，且隨著超聲波功率的增大抑制變形的效果也逐漸增強(qiáng)，當(dāng)超聲波功率為800W時(shí)，撓曲變形由無(wú)超聲時(shí)的5.5mm下降到了2.68mm，減小了51.27%；角變形則由2.39mm下降到了1.16mm，減小了51.46%。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)得到了超聲波功率和常規(guī)焊接參量對(duì)焊接變形量的影響程度。其中，對(duì)撓曲變形來(lái)說(shuō)，5個(gè)因素對(duì)其的影響程度由大到小的排序?yàn)椋汉附铀俾省⒓す夤β省⒊暡üβ省⒈Ｗo(hù)氣流量、離焦量；而對(duì)角變形來(lái)說(shuō),排序則為：焊接速率、超聲波功率、激光功率、離焦量和保護(hù)氣流量。通過(guò)分析正交試驗(yàn)結(jié)果得到了能夠?qū)崿F(xiàn)最小變形的最優(yōu)工藝參量組合，即激光功率為1000W、焊接速率為5m/min、離焦量為+1mm、保護(hù)氣流量為15L/min、超聲波功率為800W，對(duì)應(yīng)試件的撓曲變形為0.42mm，角變形為0.26mm。

(3)施加超聲波可以明顯提高試件接頭的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)超聲波功率為800W時(shí)，抗拉強(qiáng)度為199.2MPa，可以達(dá)到母材的84.13%。經(jīng)過(guò)測(cè)試，最小變形試件并不能滿足試件應(yīng)用的拉伸強(qiáng)度要求，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)首先保證焊縫成形質(zhì)量再考慮減小變形。