激光焊接5083/6016异种铝合金光谱信号与焊件质量的关系

周惦武+李升+张红

收稿日期：20131028

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）重点资助项目（2012AA111802）

作者简介：周惦武（1971-），男，湖北浠水人，湖南大学教授，博士

通讯联系人，Email：ZDWe_mail@126.com

摘要： 采用光纤激光器对1.0 mm厚5083和1.2 mm厚6016异种铝合金平板试件进行激光搭接焊试验，利用光谱测量系统、扫描电镜、维氏显微硬度仪和微机控制的电子万能试验机等手段，检测激光焊接过程等离子体产生时辐射出的时域MgI光谱信号，分析焊缝形貌、显微硬度和力学性能，研究等离子体中MgI光谱信号相对强度与焊件质量之间关系.结果表明，随着扫描速度增加，MgI光谱信号强度降低，离焦量对MgI光谱信号作用明显，而激光功率对MgI信号整体幅度改变较小；MgI光谱强度较小或较大，试件出现焊不透或焊穿现象；MgI等离子体信号波动较大处，出现咬边、凹陷、气孔等缺陷，力学性能低；而MgI等离子体信号平稳时，焊缝平整，缺陷少，力学性能好.基于MgI光谱信号与焊件质量之间的对应关系，运用Hugh hart 的统计过程控制（SPC）理论，建立了焊接过程单值移动极差控制（XRs）图.

关键词：激光焊接；异种铝合金；等离子体信号；焊件质量

中图分类号：TG115 文献标识码：A

Relation between Spectrum Signal of 5083/6016 Dissimilar

Alloy Laser Welding and Weldment Quality

ZHOU Dianwu， LI Sheng， ZHANG Hong

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha，Hunan410082，China）

Abstract：The laser welding test was carried out on the 5083 aluminum alloy with thickness 1.0 mm and the 6016 aluminum alloy with thickness 1.2 mm. The relationship between plasma MgI spectrum signal and the process parameters as well as welding quality were studied by testing the MgI singal of laser welded dissimilar alloy and by analyzing fracture morphology，microhardness and mechanical properties in the joint by using spectroscopic measurement system， scanning electron microscope， vickers microhardness machine， and computer control electronic universal testing machine. The results show that， with the speed increasing， MgI spectrum signal strength is reduced； the focus obviously affects MgI signal while the laser power changs the whole MgI signal amplitude slightly. When MgI relative strength appears smaller or larger， the specimens have lack or over welding； MgI plasma with strong fluctuations leads to defects such as porosity and low mechanical performance while smooth MgI signal has less defect and good mechanical performance. The realtime control welding process X Rs is established based on MgI spectral signal corresponding to the quality of weldment and Hugh hart SPC control theory.

Key words：laser welding； dissimilar aluminum alloy； plasma signal； weld quality

轻量化成为汽车减排的重要举措，而实现汽车减重，大量使用异种铝合金等轻质材料起着至关重要的作用.与常规熔焊相比，激光焊用激光束作焊接热源，具有能量密度高、热量集中、热源易准确控制、焊缝深宽比大、热影响区窄、焊接变形小以及高效高自动化等诸多优点，是异种铝合金理想的焊接方法，但由于焊接过程存在多变量和较多的不确定因素，而焊后离线检查费时费力、灵活性差，因此实时监测焊接过程光、声、电等特征信息，建立特征信息与焊件质量之间的关联，通过调整和优化焊接参数，以控制焊件缺陷生成，成为异种铝合金激光焊研究的重点与难点[1-3].Sibillano等[4]以等离子体的光谱特性为依据，探讨了焊接过程电子温度与焊缝熔深之间的关系.Palanco等[5]研究了铝合金焊接过程产生的Zn，Mn发射谱线与焊件质量的对应关系.张宏圭等[6]研究了同种5系列铝合金激光焊接镁元素的烧损与焊件性能的内在规律.洪蕾等[7]则发现焊接过程稳定时，等离子体光信号在某一稳定幅值上进行小幅度波动，而焊接质量发生变化时，等离子体光信号的幅值大小发生明显改变.为建立焊接过程等离子特征信息与焊件质量之间关系，实时调整控制焊件缺陷产生，并为异种铝合金激光焊接的推广应用提供重要理论和试验基础，本文以车用5083/6016异种铝合金为研究对象，采用光纤激光器对其平板试件进行激光搭接焊试验，利用光谱测量系统、扫描电镜、维氏显微硬度仪、微机控制的电子万能试验机等手段，检测了异种铝合金激光焊接等离子体产生时辐射出的时域MgI光谱，分析了焊缝形貌、显微硬度和力学性能，研究了等离子体MgI光谱信号相对强度与工艺参数、焊接质量性能之间的关系，并基于MgI光谱信号与焊件质量之间的对应关系，建立了焊接过程实时控制的XRs图.

1试验设备、材料与方法

采用YLS4000CL型二极管泵浦单模光纤激光器作为焊接热源，焊接头由焦距为150 mm准直镜和焦距为200 mm的聚焦镜组成，采用300 μm的光纤芯径，激光器最大输出功率为4 kW，激光波长为1 070 nm，连续输出的激光模式为TEM00，聚焦光斑直径为0.4 mm，光束发散角α < 0.15 rad.执行机构为ABB公司IRB2400五轴焊接机器人.光谱测量系统主要包括SpectraPro2356型光谱仪、面阵CCD和光纤测量组件.试验所用材料为车用5083/6016异种铝合金，5083铝合金的化学成分（质量分数，%，下同）为：Si 0.4，Cu 0.1，Mn 0.4～1，Mg 4.0～4.9，Zn 0.25，Cr 0.05～0.25，Fe 0.4，Al 余量；6016铝合金的化学成分为：Si 1.0～1.3，Cu 0.2，Mn 0.2 ，Mg 0.3～0.5 ，Fe 0.5，Al 余量.5083和6016异种铝合金的板材尺寸分别为100 mm×30 mm×1.0 mm和100 mm×30 mm×1.2 mm.焊前用8%的NaOH、30%的稀硝酸清洗焊件以去除表面油污，干燥后将5083铝合金板置于上侧，6016铝合金置于下侧，图1为1.0 mm厚5083和1.2 mm厚6016异种铝合金激光搭接焊试验示意图.焊后线切割不同等离子体MgI信号处试样，制备金相试样； 采用型号FEI Quanta200的扫描电镜观察焊缝形貌；采用型号HV5的维氏硬度仪测试焊缝截面硬度；采用型号Instron3380的电子万能试验机测试不同工艺条件下焊件的力学性能.

2试验结果

2.1MgI谱线相对强度与工艺参数之间的关系

表1给出了激光焊接工艺参数与MgI平均相对光谱强度之间的关系，图2为实时采集MgI383.83光谱随时域变化的相对光强（图2（a）～图2（g）分别为表1中1～7组工艺条件下的MgI时域图）.

对图2实时采集MgI383.83光谱随时域变化的相对光强进行分析，发现在离焦量与功率一定的条件下，扫描速度从60 mm/s增加至90 mm/s时，MgI相对光谱强度呈现下降趋势，其中图2（a）相对强度比较大，均值为25 938；图2（c）相对强度比较小，均值为19 882.而不同离焦量下，MgI谱线相对强度均值在22 541到26 510之间，离焦量为负时，相对强度大，波动明显；离焦量为正时，相对强度先增大后逐渐平稳；离焦量为0时，焊接起始后一段时间内，相对强度较稳定，总体来看，MgI谱线相对强度偏幅大，离焦量对MgI谱线相对强度作用明显，表明焊接工艺参数中，离焦量对MgI谱线相对强度影响最大；而在离焦量与扫描速度不变，焊接过程稳定时，对应功率为2.4 kW，但MgI谱线相对强度较低，均值21 824；功率为3.2 kW时，MgI谱线相对强度明显较大，均值为25 132；而功率为2.8 kW时，MgI谱线相对强度平缓.整体看来，激光功率对MgI信号整体幅度改变较小.

2.2MgⅠ谱线相对强度与焊件质量性能间的关系

试验观测不同MgI光谱信号相对强度下，焊缝主要存在未焊透、焊穿、塌陷、气孔等缺陷.从表1所示焊件焊缝形貌试验观察结果来看，MgI光谱信号相对强度均值较小时，焊件出现未焊透缺陷，如图3（a）和图3（b）所示；而相对强度均值较大时，出现焊穿现象，如图3（c）和图3（d）所示.进一步对图2（b）实时采集MgI383.83光谱随时域变化的相对光强进行分析，发现MgI光谱信号相对强度平缓时，焊接接头焊缝形貌未出现明显缺陷，焊缝整齐，均匀度较好，如图4（a）所示.而MgI光谱信号相对强度骤增处（图2（g）），焊缝较宽，焊接层表面熔化不均匀，焊件出现咬边、塌陷、气孔等缺陷，如图4（b）所示.分析塌陷形成原因，可能是激光加热使材料变成蒸汽粒子飞出时，飞出粒子的反冲压力造成液态表面出现塌坑；而气孔则可能是5083/6016异种铝合金激光焊接时，低熔点Mg，Al元素形成了较强的等离子体，挠乱了金属蒸汽的反冲压力、液态静压力与表面张力的平衡，使小孔瞬间震荡，造成熔池不稳定，因此导致外界气体及金属蒸汽不能逸出而滞留在快速凝固的焊缝中[8].图5给出了MgI光谱信号相对强度变化平缓和骤增2种情况下焊接试样硬度的测试结果.发现焊件焊缝径向方向显微硬度的变化趋势是：先降低，再增加，最后基本趋于一致.焊缝区平均显微硬度值分别为66.09 HV，65.29 HV，均低于母材平均硬度72.81 HV，表明5083/6016异种铝合金激光焊接时，焊接接头出现了软化现象[9].

从图6所示的力学性能测试结果可知，图2（c），（e）及（f）所示对应的工艺条件下，MgI光谱信号较弱，焊件未焊透，焊件试样抗拉强度较低，伸长率较大.图2（a），（d）及（g）对应工艺条件下，MgI光谱信号较强，焊接试样抗拉强度和伸长率相对下降.而图2（b）对应工艺条件下，MgI光谱信号强度变化相对平稳，而焊接试样抗拉强度和伸长率均较高，分别为178.5 MPa，7%.

3分析与讨论

3.1MgⅠ光谱信号与工艺参数之间的关系

从2.1节发现，5083/6016异种铝合金激光焊接时，扫描速度、离焦量、激光功率等工艺参数与MgI光谱信号之间存在一定的关联.本部分对其之间的关系进行分析.通常激光焊接能量分布受工艺参数影响，若长度为Δl时，熔化焊件的质量为：

mb=ρSΔl. （1）

式中：ρ和S分别为焊件密度和弧状横截面积，其中

S=4h2+b28h2×π180arcsin 4bh4h2+b2-

b2-4h2b16h；（2）

式中：b，h分别为熔宽和熔深.质量为mb的焊件熔化所需的能量为[7]：

QM=mbcΔt+mbΔh. （3）

式中：c，Δt和Δh分别为焊件的比热容、熔点与环境温度差值和熔化潜热.可以看出，在离焦量与功率一定的条件下，如增大速度，则激光辐照到工件表面的能量会减少，熔化焊件材料也会减少，因此，MgI相对光谱强度呈下降趋势.

只改变离焦量的情况下，从图2（d），2（g）和图2（e）可看出，在激光功率、焊接速度一定的条件下，离焦量为0时，MgI谱线相对强度大于离焦量为1.5 mm的强度，但弱于离焦量为-1.5 mm处的谱线强度.乔红贞[10]认为激光功率密度与离焦量呈负指数关系：

ρ=4pf2πD2x2. （4）

式中：p为功率；f为焦距；x为离焦量；D为光斑尺寸.如图7所示，离焦量变化会导致光斑半径及激光功率密度发生改变，由于离焦量为0比离焦量为1.5 mm作用在焊件上的光斑半径小，因而能量集中，等离子体强，因此MgI谱线相对强度均值较大.而当离焦量为-1.5 mm时，尽管作用在焊件表面上的激光功率密度减小，但由于激光焦点位于焊件表面以下，有效烧蚀面积却增大，因此产生的等离子体增多，谱线强度增强，因而离焦量为-1.5 mm大于离焦量为0时的强度，从而产生了如表1所示的结果.

对激光功率与MgI相对光谱强度之间的关系而言，由于激光功率增大，激光辐照到工件表面的能量增加，出现了表1中MgI光谱信号相对平均强度随功率增大而增强的趋势，同时由于功率对等离子体影响比较小[7]，因此使得MgI信号整体趋势不随激光功率发生明显的改变.

3.2MgⅠ光谱信号与焊件质量表征关系的建立

本部分运用Hugh hart 的统计过程控制（SPC）理论[11-12]，采集MgI光谱相对强度信号作为统计样本，基于2.2节MgI光谱信号与焊件质量之间存在的对应关系，来建立激光焊接5083/6016异种铝合金焊接过程的实时控制单值移动极差控制（XRs）图.相邻样本MgI光谱相对强度信号的移动极差为：

Rsi=Xi+1-Xi. （5）

Xi为第i个样本MgI光谱相对强度值，平均移动极差为：

s=1n-1∑n-1i=1Rsi. （6）

样本X的UCL，LCL控制线为：

UCL=+2.66s，CL=，

LCL=-2.66s. （7）

样本Rs的UCL，LCL控制线分别为：

UCL=3.267s，CL=s，LCL=0. （8）

由于光谱信号在焊接起始及结束阶段有持续现象[13]，建立焊接过程实时控制XRs图时，所用统计样本应选用MgI光谱信号强度的有效帧数.

利用XRs控制图（图8）检测2.1节图2（g）中MgI信号相对强度与对应焊缝质量之间的关系，发现信号超出X控制UCL线处，焊接试样表面存在凹陷、对应下方内部存在气孔缺陷（图4（b））；检测图2（e）工艺参数MgI信号相对强度与对应焊缝

质量之间的关系（图9），发现焊接试样存在凹陷缺陷，其与MgI光谱信号相对强度之间的对应关系如图9（b）所示.

4结论

1） 激光焊接5083/6016异种铝合金，MgI平均相对光谱强度与工艺参数之间存在一定关联，随着扫描速度增加，MgI光谱信号强度降低，离焦量对MgI光谱信号作用明显，而激光功率对MgI信号整体幅度改变较小.

2） 激光焊接5083/6016异种铝合金，MgI平均相对光谱强度与焊件质量性能存在一定关联.MgI光谱强度较小或较大，试件出现焊不透或焊穿现象；MgI等离子体信号波动较大处，出现咬边、凹陷、气孔等缺陷，力学性能低；而等离子体信号平稳时，焊缝平整，缺陷少，力学性能好.

3） 基于MgI光谱信号与焊件质量存在的对应关系，运用Hugh hart 的SPC控制理论，建立了焊接过程实时控制XRs图， 为实时调整或优化焊接工艺参数控制焊件缺陷产生提供重要理论基础.

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