铝合金激光 -MIG复合焊接 工艺适应性
研究
摘要：试验使用MIG、激光焊、激光-MIG复合焊对铝合金进行焊接，并对三种焊接方法进行了对比，进一步对铝合金激光-MIG复合焊接的工艺适应性进行了研究，试验结果如下：从工艺参数、显微组织、X射线探伤、力学性能等方面对三种焊接方法进行对比分析，激光-MIG复合焊接接头的各项指标良好，焊接效率高、质量好、力学性能优异，与MIG、激光焊相比焊接铝合金具有明显优势；使用激光-MIG复合焊对侧墙与枕梁下层板进行焊接，可获得质量良好的焊接接头，激光-MIG复合焊对薄板接头与厚板接头均具有良好的工艺适应性，可节省焊接耗材，提升焊接效率，有助于减少焊接热量对母材的损伤；激光-MIG复合焊的焊接机理与MIG不同，激光光束的能量在熔深、熔透方面发挥了很大作用，MIG的坡口尺寸对激光-MIG复合焊并不适用，应针对激光-MIG复合焊的特点进行一定的设计调整，以充分发挥激光-MIG复合焊接的优势。
关键词：铝合金；激光-MIG复合焊接；工艺适应性；组织；力学性能
0 前言
铝合金具有轻质、比强度高和耐腐蚀等优点，符合轻量化设计的要求，现在已经成为高速列车车体的主要材料
[1-2]
。在铝合金车体焊接工艺方法中，MIG是使
用最多的焊接方法，其焊接工艺及自动化水平已经较为成熟，但是MIG能量密度低、热输入较大，焊接铝合金材料易产生未熔合、热裂纹、接头软化等焊接问题，导致接头的性能下降明显，所以采用新的焊接方法来提高铝合金焊接质量已成为必然的趋势
[3-4]
。
激光焊接技术是一种先进的焊接技术，具有能量密度高、焊接热输入量小、焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区窄和变形小等优点，这对金属的焊接具有重要意义。但是铝合金反射率和热导率很高，导致激光焊接难度大，工艺稳定性不好，所以激光焊接技术较少的在铝合金的工业焊接中出现。激光-MIG复合焊接是把激光与电弧结合在一起，既充分集成激光焊接与电弧焊接的优点，又使激光、MIG的不足得到互补。这种工艺可以改善铝合金的焊接适应性，提高铝合金的焊接效率，其焊接过程的能量利用率也大于单一热源焊接的能量利用率，能有效的解决激光和MIG焊接铝合金的诸多问题，是铝合金焊接研究的热点。
目前，国内对铝合金激光-MIG复合焊接方面的研究较少，主要集中于工艺参数对焊接熔深及焊缝成型的影响，对激光-MIG复合焊接工艺缺乏系统性的研究，而国外对激光-MIG复合焊接的研究重点集中于激光与电弧的耦合机理方面，难以直接用于指导实际的工程应用
[7-8]
[6]
[5]
。本文侧重于工艺基础性试验，对铝合金激光-
MIG复合焊接进行研究，为激光-MIG复合焊接技术在国内高速列车铝合金焊接领域的应用提供数据支持。
1 试验材料及测试方法 1.1试验材料
试验所选焊接材料为高速列车车体常用的6005A-T6铝合金，6005A-T6铝合金常温抗拉强度为270MPa，焊接试板的尺寸为300mm× 150mm× 4mm。填充焊丝型号为ER5356，直径1.2mm，选用的保护气体是纯度为99.999%的高纯氩气，保护气体流量为25L/min。
1.2焊接设备
试验所用的激光器为IPG公司生产的YLS-4000光纤激光器，光纤芯径为200um，输出波长为1.06um的连续波激光，聚焦透镜的焦距为310mm，额定功率4.2kW；试验所用的MIG焊机型号为KempArc-450，焊机通过控制送丝速度确定焊接电流和电压。
1.3测试方法
使用X射线无损检测方法对接头内部缺陷情况进行检测，X射线探伤设备型号为XXQ2505D-XK3.2；沿焊缝横截面制备金相试样，经研磨抛光后用混合酸（体积比HF：HCl：HNO3：H20=2：3：5：90）进行腐蚀，使用蔡司显微镜观测金相组织；根据GB/T4342-1991《金属显微维氏硬度试验方法》使用HVS-30型显微型硬度计进行硬度试验；根据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》制取拉伸试样，使用WDW3100微机控制电子万能试验拉伸机测试接头的拉伸性能，试验速率为0.5mm/min。
2结果和分析
2.1 三种焊接方法对比 2.1.1 焊接工艺参数
通过大量前期试验确定MIG、激光焊、激光-MIG复合焊三种焊接方法的工艺参数，工艺参数如表1所示。MIG焊接试板开60°坡口，其他两种焊接方法开0°坡口，试板不留间隙。
MIG焊接的速度明显低于其他两种焊接方法的速度，这是因为MIG焊接熔深小，为保证焊透，试板开60°坡口，与开0°坡口的焊接方法相比MIG焊接需要填充更多的金属，这就决定了MIG焊接需降低焊接速度，并配合更大的送丝速度来保证足够的填充量；激光焊与激光-MIG复合焊的熔深大于MIG，试板可以开0°坡口，且激光热源对电弧有稳定作用，有利于提高焊接速度，所以激光-MIG复合焊的焊接速度明显高于MIG。
表1 三种焊接方法工艺参数
焊接 方
激光功率
（
送丝速度 （m/m
激光器与 焊接
焊与 焊接
焊接速度 （m/m
离焦量
（
光丝间距
（
法 kW） in） 方向夹角 方向夹角 in） mm） mm）
MIG -- 11.0 -- 65° 0.6 -- --
单激光
0
3.
-- 105° -- 1.2 0 --
激光-MIG复合
1
2.
8.0 105° 56° 1.2 0 3
2.1.2 X射线探伤
三种焊接方法的X射线探伤如图1所示， MIG焊接接头几乎没有气孔；激光-MIG复合焊接接头气孔数量少，集中于起弧、收弧处，气孔尺寸小；激光焊接接头气孔密集，气孔尺寸较大。
激光焊熔池中匙孔的动态行为显著，匙孔崩塌易产生气泡，而激光焊接的特点决定了其液态金属少，冷却速度大，气孔难以溢出，对于热导率大的铝合金来说上述问题更加显著，所以激光焊气孔密集；激光-MIG复合焊接与MIG焊接有较多流动性良好的液态金属补充，其探伤情况良好。
[9]
（a）MIG焊接
（b）激光焊接
（c）激光-MIG复合焊接
图1 X射线探伤
2.1.3 焊缝组织
三种焊接方法的焊缝组织如图2所示，激光焊的焊缝组织与MIG、激光-MIG复合焊的焊缝组织差别较大，激光焊的焊缝枝晶组织细小且离散，一方面是因为激光焊接热输小，冷却速度大，枝晶生长困难，另一方面是因为激光焊接无焊丝加入，其焊缝成分与母材接近，与其他焊接方法的焊缝成分有明显差别。
MIG与激光-MIG复合焊的焊缝组织相似，MIG的枝晶组织更加粗大，这是因为MIG焊接的热输入量大，冷却速度小，有利于枝晶生长，粗大的枝晶组织对于焊缝的力学性能有不利影响。
（a）MIG焊接
（b）激光焊接
（c）激光-MIG复合焊接 图2 焊缝显微组织
2.1.4 接头硬度分布
三种焊接方法的接头硬度分布曲线如图3所示，可知三条硬度分布曲线形状相似，焊缝处硬度低，从熔合线到母材硬度呈现先降低后升高的变化趋势。焊缝处硬度低是因为焊缝为急冷铸态组织，其硬度无法与挤压成型的母材相比；6005A铝合金为热处理强化铝合金，对焊接热过程敏感，从熔合线至母材，热影响区分为固溶区域和过时效区域，其中过时效区域的第二相Mg2Si颗粒聚集长大，强化相数量减少，软化严重，是热影响区硬度最低的部位。综合来看，焊缝和热影响区的过时效区是接头硬度最低的区域，而硬度在一定程度上可以反映强度的大小，由此可知这两个位置也是接头力学性能最薄弱的区域。
对比来看，MIG焊接热影响区宽13mm，接头最低硬度55HV，最低硬度出现在热影响区，这充分体现了MIG的焊接热量对热影响区组织的损伤；激光焊接热影响区宽7mm，接头最低硬度50HV，最低硬度出现在焊缝；激光-MIG复合焊接热影响区宽8mm，接头最低硬度56HV，最低硬度出现在焊缝，热影响区最低硬度60HV。
[10]
（a）MIG焊接
（b）激光焊接
（c）激光-MIG复合焊接 图3 接头硬度分布
2.1.5 接头拉伸性能
三种焊接方法的接头拉伸试验情况如表2所示。MIG的接头平均抗拉强度为190.79MPa，试样均断在热影响区处，这说明MIG的接头其热影响区位置受焊接热作用明显，产生了严重的软化；激光-MIG复合焊的接头平均抗拉强度为197.26MPa，抗拉强度最高，试样均断于焊缝处；激光焊的接头平均抗拉强度为166.52MPa，抗拉强度最低，这与焊缝密集的气孔有关。拉伸试验结果与硬度试验结果相匹配。
表2 三种接头拉伸数据
焊接方法
抗拉强度（MPa）
断
平均抗拉强度（MPa）
裂位置
M190.79
IG
187.5
7
195.41
190.98
186.56
193.37
热
影响区
热
影响区
热
影响区
热
影响区
热
影响区
激光
159
166.52
缝
焊
168
焊缝
158
焊缝
175.79
缝
焊
171.81
缝
焊
激光-MIG
197.8
197.26
缝
焊
194.7
焊缝
199.2
焊缝
200.5
焊缝
194.1
焊缝
2.1.6 小结
从工艺参数、显微组织、X射线探伤、力学性能等方面对三种焊接方法进行对比分析，激光-MIG复合焊接接头的各项指标良好，焊接效率高、质量好、综合性能优异，与MIG、激光焊相比焊接铝合金具有一定优势。
2.2 工艺适应性
为了进一步检验激光-MIG复合焊的工艺适应性，采用该方法对车体相关部件进行焊接，并针对激光-MIG复合焊的特点对坡口形状进行设计调整。
2.2.1 侧墙焊接
激光-MIG复合焊的熔深明显大于MIG，地铁侧墙型材两侧均开15°窄坡口便可确保焊透，窄坡口确保了焊接时可以选择较大的焊接速度和较小的送丝速度。焊接所用焊接速度1.5m/min，送丝速度10m/min，激光功率2.5kW，单道成型，所焊接头形貌如图4所示。
图4 侧墙激光-MIG复合焊接头形貌
可见，焊缝呈现漏斗状，明显分为两部分，上部分较宽呈现碗形，下部分较窄呈现锥形。激光与MIG热源的交互作用导致焊缝上半部分有较大的熔宽，而下
半部分又有明显的熔深，其中电弧主要对其熔宽起作用，激光则保证了足够的熔深。焊缝熔深达6mm是上板板厚的2倍，较大的熔深有利于保证车体侧墙结构的坚固稳定。
2.2.3 枕梁焊接
使用激光-MIG复合焊焊接地铁枕梁16mm厚的下层板，开40°坡口、3mm钝边，留2mm间隙，分3层3道焊接成型。激光-MIG复合焊的坡口尺寸明显小于MIG所用的坡口尺寸（70°坡口，0.5mm钝边，4mm间隙），所用焊接道次也远少于MIG所用的4层7道，可大大节省焊接耗材，提升焊接效率，也有助于减少焊接热量对母材的损伤。枕梁下层板接头形貌如图5所示，焊缝形状狭长呈现锥形，三道焊缝清晰可见，下壁熔透良好，熔滴部分进入成型槽。激光-MIG复合焊的焊接机理与MIG不同，激光光束的能量在熔深、熔透方面发挥了很大作用，MIG接头使用的成型槽对激光-MIG复合焊并不适用，枕梁大型材的成型槽应针对激光-MIG复合焊的特点进行一定的设计调整，减少成型槽的面积，以充分发挥激光-MIG复合焊接的优势。
图5 枕梁下层板激光-MIG复合焊接头形貌
对16mm厚的下层板的坡口进行改进设计，将成型槽改为垫板。改进后的接头形貌如图6所示。可知，接头熔合状况良好，没有因为狭窄的间隙产生焊接缺陷，成型槽未填满的问题也可以避免。
图6 枕梁下层板激光-MIG复合焊接头形貌（改进后）
2.2.3 小结
使用激光-MIG复合焊对侧墙与枕梁下层板进行焊接，可获得质量良好的焊接接头，激光-MIG复合焊对薄板接头与厚板接头均具有良好的适应性，可节省焊接耗材，提升焊接效率，有助于减少焊接热量对母材的损伤。
激光-MIG复合焊的焊接机理与MIG不同，激光光束的能量在熔深、熔透方面发挥了很大作用，MIG的坡口尺寸、成型槽样式对激光-MIG复合焊并不适用，应针对激光-MIG复合焊的特点进行一定的设计调整，以充分发挥激光-MIG复合焊接的优势。
3 结论
1、从工艺参数、显微组织、X射线探伤、力学性能等方面对三种焊接方法进行对比分析，激光-MIG复合焊接接头的各项指标良好，焊接效率高、质量好、综合性能优异，与MIG、激光焊相比焊接铝合金具有一定优势。
2、使用激光-MIG复合焊对侧墙与枕梁下层板进行焊接，可获得质量良好的焊接接头，激光-MIG复合焊对薄板接头与厚板接头均具有良好的适应性，可节省焊接耗材，提升焊接效率，有助于减少焊接热量对母材的损伤。
3、激光-MIG复合焊的焊接机理与MIG不同，激光光束的能量在熔深、熔透方面发挥了很大作用，MIG的坡口尺寸对激光-MIG复合焊并不适用，应针对激光-MIG复合焊的特点进行一定的设计调整，以充分发挥激光-MIG复合焊接的优势。
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