铝合金双光束/单光束激光-TIG复合焊

2017-02-22黄瑞生杨海锋王君宇

焊接 2017年1期

关键词：气孔率光束铝合金

黄瑞生杨海锋王君宇荆文

(机械科学研究院哈尔滨焊接研究所,哈尔滨 150028)

铝合金双光束/单光束激光-TIG复合焊

黄瑞生杨海锋王君宇荆文

(机械科学研究院哈尔滨焊接研究所,哈尔滨 150028)

针对4 mm厚5A06铝合金，分析了双光束光纤激光-TIG复合焊的焊缝成形特点、气孔率、匙孔动态特征及接头力学性能，并与单光束光纤激光-TIG复合焊对比。结果表明，在获得相同焊缝背面熔宽条件下，与单光束激光-TIG复合焊相比，双光束激光-TIG复合焊的焊缝背面成型连续性、均匀性更优且熔宽波动较小，焊缝气孔率降低50%以上，激光匙孔开口面积平均值更大，波动变异系数更小；双光束激光-TIG复合焊接头抗拉强度、断后伸长率、显微硬度、组织与单光束激光-TIG复合焊结果差别不大。

铝合金双光束激光 TIG电弧复合焊

0 序言

铝合金具备低密度、高强度、耐腐蚀及易于加工等优点，已成为航天、航空、交通运输等领域轻量化结构设计的主要材料[1]。同时，焊接技术已成为铝合金结构件制造的关键加工技术。

钨极氩弧(TIG)焊接过程稳定，容易获得高质量焊缝，成为铝合金焊接制造的主要方法之一。但TIG焊的焊接热输入较大、焊接速度及焊丝熔覆速度较低，容易导致铝合金焊接制造产生焊接变形较大、焊接接头性能弱化较严重、焊接效率较低等问题。激光焊容易实现高精度、高速、低变形、大深宽比焊接等优点，在铝合金焊接制造中应用日益广泛[2]。但由于铝合金熔点低、沸点低、热导率高、熔融金属表面张力低等特点，激光焊接铝合金存在焊缝成型较差、易产生咬边及焊接气孔等问题[3-4]。

W.M.Steen等人[5]于上世纪70年代末首先提出激光-TIG复合焊方法, 将两种具有不同物理性质、能量传输机制的热源复合在一起，实现了1+1>2的焊接效果。国内外学者针对激光-TIG复合焊技术开展了大量的研究工作，结果表明，激光-TIG复合焊方法是实现高性能金属材料优质、高效、低变形焊接的先进焊接方法，可以有效解决上述铝合金单一TIG焊、激光焊存在的焊接问题[6]。

目前，铝合金激光-TIG复合焊技术研究主要集中在单光束激光-TIG复合焊工艺、焊接过程特征、焊接机理等方面[7-11]，而铝合金双光束光纤激光-TIG复合焊技术方面的研究鲜有报道。

因此，文中针对5A06铝合金，采用双光束光纤激光-TIG复合焊方法，与单光束光纤激光-TIG复合焊对比，在获得相同背面熔宽条件下，从焊缝成形、气孔率、匙孔特征等角度，对比分析铝合金双光束激光-TIG复合焊的焊接特性及焊接接头性能，为铝合金双光束激光-TIG复合焊技术的应用提供试验依据。

1 试验方法

试验采用4 mm厚5A06铝合金，试板尺寸300 mm×100 mm；焊丝为直径1.2 mm的ER5356铝合金焊丝；焊接保护气为工业Ar气。采用I形对接接头，焊接方式为平焊，试验前采用刮刀去除铝合金母材表面的氧化膜。对焊后焊缝进行X射线探伤，选取任意100 mm长焊缝探伤照片进行气孔面积统计并计算气孔率。

试验系统由Trumpf公司Trudisk-6000型蝶形激光器、Fronius公司MW4000型交直流TIG焊机及自制的焊接试验工作台与卡具组成。试验过程利用日本FastCam Ultima 512型高速摄像系统对匙孔进行图像采集，采样频率4 000 帧/秒。

试验所用光纤芯径0.4 mm，激光焊接头准直距离200 mm,聚焦距离300 mm。激光焊接头通过楔形棱镜将一束激光分成两束得到双光束激光，能量分配为1∶1，焦点处光斑中心间距0.6 mm，双光束激光沿焊接方向按前后串行模式排布。

双光束/单光束激光-TIG复合填丝焊过程示意图如图1所示。

图1 激光-TIG复合填丝焊示意图

2 试验结果及分析

2.1 焊缝成型

保持其他焊接参数不变，即激光离焦量+4 mm、焊接速度1.5 m/min、焊接电流120 A、光钨间距6 mm，改变激光功率，进行单/双光束激光-TIG复合焊试验。图2为在获得焊缝相同背面熔宽条件下，单/双光束激光-TIG复合焊焊缝背面熔宽与激光功率的关系，激光功率对焊缝背面成型的影响见表1。

如图2所示，随着激光功率的增大，复合焊焊缝背面熔宽均增大；在相同焊缝背面熔宽的条件下，双光束激光-TIG复合焊所需的激光功率基本比单光束激光-TIG复合焊大500 W。由表1可知，在相同焊缝背面熔宽的条件下，激光功率较小时，单光束激光-TIG复合焊焊缝背面成型连续性较差,熔宽波动较明显且容易出现背面鼓包现象，双光束激光-TIG复合焊焊缝背面成型连续性较好，熔宽波动小且没有出现背面鼓包现象。激光功率较大时，单光束激光-TIG复合焊焊缝虽然背面成型连续，熔宽波动较小，但背面仍容易出现鼓包现象；而双光束激光-TIG复合焊焊缝背面成型连续性、均匀性更优，基本不出现背面熔宽波动、鼓包等现象。

图2 相同背面熔宽条件下所需激光功率对比

2.2 焊缝气孔

图3为不同背面熔宽情况下单/双光束-TIG复合焊焊缝气孔率对比图。可见随着焊缝背面熔透宽度的增大，复合焊焊缝气孔率均减小；在基本相同焊缝背面熔宽的条件下，双光束激光-TIG复合焊焊缝气孔率小于单光束激光-TIG复合焊所得的结果，焊缝气孔率降低50%以上。

表1 复合焊激光功率对焊缝成形影响

2.3 激光匙孔波动特征

在焊缝背面熔透宽度约为4 mm的焊接条件下，采用高速摄像系统拍摄单/双光束激光-TIG复合焊焊接过程激光匙孔，匙孔形态如图4所示。

图3 相同焊缝背面熔宽条件下焊缝气孔率对比

图4 焊缝正面典型激光匙孔形态对比

采用MATLAB软件对稳定焊接过程拍摄的任意连续200帧激光匙孔照片进行灰度化、滤波、边缘检测及面积提取等处理，分别得到焊缝背面熔透宽度约为4 mm条件下单/双光束激光-TIG复合焊正面激光匙孔开口面积的瞬值如图5所示，全过程平均值及波动变异系数如图6所示，其中，单/双光束-TIG焊的功率分别为3.5 kW和4.0 kW。

如图5和图6所示，在相同的背面熔宽条件下，两种复合焊过程激光匙孔开口面积的瞬值变化很不规律；但是就一个采集序列整体来看，与单光束激光-TIG复合焊相比，双光束激光-TIG复合焊的激光匙孔开口面积平均值更大，波动变异系数更小。因此，双光束激光-TIG复合焊激光匙孔开口面积波动性较小，闭合频率减小，焊接过程更稳定。