坡口型式对5083铝合金激光-MIG复合焊接头组织性能的影响

林贤军，汪 认，苟国庆

(1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111;2.西南交通大学，材料科学与工程学院，四川 成都 610031)

0 前言

铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等优点，是一种较为理想的轻量化结构材料，广泛应用于轨道交通行业［1］。5083铝合金为不可热处理强化铝合金，具有较好的焊接性、良好的耐腐蚀性和易加工等特点，经过形变强化后的板材广泛应用于铝合金车体焊接生产中［2－3］。现有电弧焊铝合金焊接接头存在接头强度系数低、效率低、变形及残余应力大等缺点，降低了铝合金焊接构件的服役安全可靠性。如何提高铝合金焊接接头性能，减小焊接变形和残余应力已经成为焊接领域研究热点之一［4－5］。

激光－MIG复合焊接是近年发展起来的一种新型高效的焊接方法，具有效率高、热输入小、工件变形及残余应力小等优点，可精确控制且易实现自动化［4，6－8］。但由于铝合金反射率较高，并且受激光功率的限制，铝合金的激光－MIG复合焊接仅局限于薄板构架。随着大功率光纤激光器的问世，铝合金激光－MIG深熔焊的应用才成为可能，但激光－电弧复合热源单次熔透能力仍然有限。要实现铝合金中厚板的焊接，必然要采用多层多道焊，因此坡口型式对焊接工艺参数、熔合比有较大影响，并最终影响焊接接头组织性能［9－10］。

针对两种不同坡口型式的6 mm厚铝合金板材对接接头进行激光－MIG复合焊接，研究坡口型式对焊接过程工艺参数、焊缝成形及组织力学性能的影响，为铝合金激光－MIG复合焊接接头坡口优化设计提供参考。

1 试验材料和方法

试验所用材料为尺寸200 mm×125 mm×6 mm的5083－H111铝合金对接接头试样，不留间隙，坡口型式如图1所示。图1b的Y型坡口加工成2 mm宽的平台，便于激光聚焦。

根据MIG焊的焊丝选择原则［11］，采用直径φ1.6 mm的ER5356焊丝，母材和焊丝的化学成分如表1所示。

图1 焊接接头坡口型式

表1 母材和焊丝的化学成分%

激光－MIG复合焊设备采用激光－MIG复合焊焊接系统，主要包括多功能激光焊机(YLS－4000S2T激光器、FDH0125激光射出头)和 KempArc Pulse焊接设备(KempArc Pulse450焊接电源、DT400送丝机及冷水焊枪等)。本试验采用连续激光与脉冲MIG复合的方式，焊接过程中激光在前电弧在后，聚焦镜偏转角为2°，聚焦镜焦距310 mm，热源间距4～5 mm。保护气为纯度99.999%的氩气，气流量25 L/min。

采用型号为XXQ2505D－XK3.2X射线探伤设备对焊接接头部位进行无损探伤，检验内部缺陷情况。拉伸试验是在CM3505电子万能试验机上按照GB/T 228－2002进行，并观察拉伸试样的断口及其周围宏观形貌。采用Am1蔡司显微镜设备对焊接接头熔合区和焊缝中心组织进行观察。

2 实验结果和分析

2.1 坡口对焊缝成形的影响

采用I型坡口型式可以实现一次性熔透，激光功率 Pw=2.8 kW，焊接速度 vw=0.49 m/min，送丝速度vs=6.0 m/min;而采用Y型坡口型式，在保证焊透的前提下，激光功率Pw=1.3 kW，焊接速度vw=0.64 m/min，送丝速度 vs=6.0 m/min，激光功率明显减低，这对激光器功率有限的条件下实现厚板铝合金的焊接十分有利。

从焊接接头的成形来看，采用I型坡口由于填充金属大部分都熔覆在接头表面，并且焊接速度相对较慢，导致焊后正面余高明显较高，正面焊缝宽度明显宽于背面焊缝。两种坡口型式接头外观成形形貌如图2所示。Y型坡口焊缝宽度窄得多，这是由于开Y型坡口以后，激光焦点作用在距离试板上表面3 mm的平台上，相当于将激光束所需穿透的深度直接减少了3 mm，激光功率大大降低，同时焊接速度明显提高，导致焊接时线能量大幅度降低，因此形成的焊缝熔宽较小。

2.2 坡口对焊接接头探伤结果的影响

图2 不同坡口型式焊缝成形形貌

图3 不同坡口型式焊接接头探伤照片

采用X射线探伤的方法检测接头内部缺陷，如图3所示。可见除了气孔缺陷外，接头内部未发现其他形式的缺陷，并且开Y型坡口的接头内部气孔数量明显多于I型坡口型式，气孔尺寸也普遍较大。理论上说，在其他条件相同的情况下，激光功率越大，焊缝熔深越深，焊接熔池内部的气体越来不及溢出，最终越易在焊缝内部形成气孔。本试验结果中，开Y型坡口接头焊接时虽然激光功率比开I型坡口小，但由于最终的熔深差不多，且焊接速度有所提高，导致熔池凝固时间反而更短，最终开Y型坡口接头内部气孔缺陷更多。因此，坡口型式不同会影响焊接接头内部气孔的形成，但并非唯一决定因素，还要与其他焊接参数匹配适当，才能有效控制气孔数量［12］。

2.3 坡口对焊接接头显微组织的影响

不同坡口型式激光－MIG复合焊接接头的光镜显微组织如图4所示。图4a和图4b分别为I型坡口和Y型坡口熔合区组织，二者在熔合线靠近焊缝一侧为垂直于熔合线方向排列的柱状晶，靠近母材一侧为经轧制后细小的有一定取向的晶粒;图4c和图4d分别是I型坡口和Y型坡口焊缝区组织，都呈现为杂乱无章的树枝晶结构，组织特征为均匀分布着α(Al)+β(Mg5Al8)共晶和少量Mg2Si，Mg2Si呈骨骼状。从光镜下的显微组织来看，两种坡口型式焊接接头组织没有明显差异。

2.4 坡口对焊接接头拉伸性能的影响

图4 不同坡口型式激光－MIG复合焊接接头的显微组织

两种坡口型式激光－MIG复合焊接接头拉伸试验结果如表2所示，可以看出I型坡口的激光－MIG复合焊接接头的平均抗拉强度为282 MPa。通过试验得到6 mm厚5083铝合金的平均抗拉强度为323 MPa，可达母材平均抗拉强度的87.3%，而Y型坡口的激光－MIG复合焊接接头平均抗拉强度仅为252 MPa，为母材的78%。这主要是焊缝内部的气孔数量不同造成的，由图3的X射线探伤照片可以看出，与I型坡口的复合焊接接头相比，Y型坡口由于焊缝内部气孔较多、体积较大，甚至出现了链状分布的密集型气孔，减小了接头的有效承载截面，产生局部应力集中现象，导致接头抗拉强度较低。从拉伸试样的断口也可以看出，两种坡口型式的接头内部气孔数量和分布状态有明显差异，如图5所示。

表2 不同坡口型式5083铝合金激光－MIG复合焊接接头拉伸试验结果

图5 不同坡口型式5083铝合金激光－MIG复合焊接接头拉伸宏观断口

3 结论

通过无损探伤检验、金相组织分析、拉伸试验等测试手段，研究了坡口型式对5083－H111铝合金激光－MIG复合焊接接头的组织和力学性能的影响，得出以下结论:

(1)采用Y型坡口型式，在1.3 kW激光功率和0.64 m/min的焊接速度下能保证6 mm的5083板材对接接头熔透，焊缝外观成形较好。

(2)采用Y型坡口形式，由于线能量的降低导致熔池凝固速率变低，增加了气孔出现的几率，焊缝中气孔较多。

(3)I型坡口5083铝合金激光－MIG复合焊接头平均抗拉强度为282 MPa，可达母材的82.6%;而Y型坡口由于气孔较多，导致强度下降明显，只有252 MPa。

(4)不同坡口型式的激光－MIG复合焊接接头由母材到焊缝中心的显微组织依次为沿轧制方向伸长的纤维组织、柱状晶和杂乱无章的树枝晶，坡口型式对接头组织无明显影响。

［1］Guoqing Gou， Nan Huang， Hui Chen， et al.Research on corrosion behavior of 6N01S－T5 aluminum alloy welded joint for high － speed trains［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26(5):1－6.456:344－349.

［2］Tomotake Hirata， Taizo Oguri， Hideki Hagino， et al.Influence of friction stir welding parameters on grain size and formability in 5083 aluminum alloy［J］.Materials Science and Engineering A，2007，456:344－349.

［3］赵亚东，段 非，朱西尾，等.5083铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织与力学性能［J］.电焊机，2011，41(2):32－34.

［4］边美华，许先果.铝合金复合焊接技术的发展现状［J］.电焊机，2005，35(2):29 －32.

［5］罗传孝，王少刚，刘 仪，等.轨道交通用铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能［J］.电焊机，2013，43(8):40－45.

［6］雷 祥，单际国，郑世卿，等.焊接工艺对6005A铝合金激光－MIG复合焊焊缝成形的影响［J］.焊接，2008(7):25－32.

［7］丁 灏，马云霞，白培康，等.铝合金激光焊新技术［J］.热加工工艺，2012，41(3):111 －113.

［8］吴圣川，唐 涛，李 正，等.高强铝合金焊接的研究进展［A］.第十五次全国焊接学术会议论文集［C］，北京:2010.

［9］姚 为，王志敏，李宏伟，等.中厚板铝合金激光 －MIG复合双层焊接方法［J］.焊接学报，2011，32(7):21－24.

［10］崔 丽，张彦超，贺定勇，等.高功率光纤激光焊接的研究进展［J］.激光技术，2012，36(2):154 －159.

［11］吴雅舒，王炎金，赵 强，等.铝合金高速客车加工与焊接技术研究［J］.电焊机，1999，39(2):1 －2.

［12］Alessandro Ascari， Alessandro Fortunato， Leonardo Orazi， et al.The influence of process parameters on porosity formation in hybrid Laser－GMA welding of AA6082 aluminum alloy［J］.Optics ＆ Laser Technology， 2010，44:1485－1490.