建筑裝飾用AA5754鋁合金在激光電弧復合焊接過程中焊縫形貌及性能變化

董曉英

（河北能源職業(yè)技術學院，河北唐山063000）

建筑裝飾用AA5754鋁合金在激光電弧復合焊接過程中焊縫形貌及性能變化

董曉英

（河北能源職業(yè)技術學院，河北唐山063000）

激光復合焊接是將激光熱源和附屬焊接源進行組合焊接的技術。利用新一代高功率光纖激光器和TIG焊槍，采用激光電弧復合焊接技術完成了兩套實驗。研究激光功率、焊接速度和電弧電流對建筑裝飾用AA5754鋁合金焊接質量的影響，并對以電弧為主導作用的復合熱源和以激光為主導作用的復合熱源進行比較分析。結果表明：以激光為主導作用的復合焊有更好的熔深和焊接質量，并在實際工作中得到了進一步驗證。

激光復合焊接；TIG；激光功率；焊接速度

0　前言

激光電弧復合焊是一種結合傳統(tǒng)引弧焊接、氣態(tài)金屬焊接、氣態(tài)鎢電弧焊接和激光光束焊接的新型焊接技術，焊接過程中各熔池產(chǎn)生的熱量相互作用，形成激光-電弧復合焊的熔池熱源[1]。這種復合焊接技術在很多方面要優(yōu)于單一的激光焊接和電弧焊接，具有更高的焊接穩(wěn)定性和焊接效率，在相同熔深效果下所需的功率輸入更低。其在焊接過程中涉及到很多工藝參數(shù)，電弧功率對熔池寬度和焊接強度有重要影響，激光功率對熔池深度有重要影響，如若獲得較高的焊接質量，有必要了解這些參數(shù)是如何影響焊接過程的。本研究利用新一代高功率光纖激光器和TIG電弧源，采用對焊的方式對建筑裝飾用AA5754-H111鋁合金板材進行了激光電弧復合焊研究，探討激光功率、電弧電流和焊接速度對焊縫形貌和焊接質量的影響，并對比分析以電弧為主導作用(AL)和以激光為主導作用(LL)對復合焊接的影響。

1　試驗材料及方法

采用AA5754退火態(tài)鋁合金，它是不能熱處理強化的鋁合金，比強度高，廣泛應用于結構工程。試驗利用激光電弧復合焊技術，采用對焊方式進行焊接處理，板材尺寸250 mm×40 mm×5 mm；所用熱源為直流氬弧焊接源（SELCO GENESIS 54 PSR）和釔激光系統(tǒng)（IPG YLS-4000），激光波長1 070.6 nm，焦距250 nm；激光源由φ200μm的光纖傳輸，光束參數(shù)6.3 mm·mrad，工件上激光源的直徑為0.4 mm。

焊接工作臺如圖1所示，激光發(fā)射系統(tǒng)和氬弧焊接源均由程序自動化控制。在焊接過程中，合金板材由四個相互垂直的卡座固定在工作臺面上，激光-電弧復合焊接結構有五個軸，由電腦數(shù)控中心控制。對復合熱源采用了兩種不同的設置，一個是以電弧為主導作用（AL）的復合熱源，一個是以激光為主導作用（LL）的復合熱源。

圖1　焊接工作臺

焊接完成后，取每個樣品焊縫橫截面制備金相試樣，并在氫氟酸水溶液中進行蝕刻處理，將焊道結構和尺寸凸顯出來，然后利用光學顯微鏡觀察、測量并拍照記錄。焊縫橫截面進行維氏顯微硬度測量，加載力0.05 kg，加載時間15 s。

為了比較分析AL和LL焊接方式，試驗過程中所有焊接參數(shù)設置不變。TIG焊槍傾保持50°斜角，保護氣體均采用純氬氣，通過與TIG焊槍同軸的兩個噴嘴從激光頭頭部噴出，流量400 nl/h，電弧源和激光源間的距離為3 mm，TIG焊槍尖端到焊件表面的距離為6 mm，TIG發(fā)生器使用快速脈沖模式，可實現(xiàn)500 Hz的發(fā)射頻率。為了避免在焊接過程中鋁合金表面被氧化，在焊接之前用鋼刷清理板材表面，然后用酒精清洗。焊接過程中，激光由方形波程序控制，間歇式發(fā)射，這樣可以有效降低激光的反射作用[2]。在以電弧為主導作用的焊接試驗中，為了解決激光的反射問題，對復合焊槍頭的傾角進行了測試，最終確定為50°。主要焊接參數(shù)如表1所示。

表1　主要焊接參數(shù)

3　試驗結果與分析

3.1以電弧為主導作用(AL)

焊縫橫截面形貌和焊縫整體形貌如圖2所示，本組試樣焊接過程中是以電弧為主導作用?？梢钥吹?，焊縫呈現(xiàn)出典型的上寬下窄的“酒杯形”樣貌。上方較寬的樣貌是由電弧焊接造成的，下方較窄的樣貌是由激光焊接引起的。但這并不意味著上方的區(qū)域只與電弧源有關，下方的區(qū)域只與激光源有關。事實上，工件的整個厚度部分都吸收了激光能量，在以電弧為主導作用的焊接過程中，上方區(qū)域受到電弧和激光能量的共同影響，熔池會比較寬。由于電弧作用深度有限，下方受電弧作用較弱，主要受激光能量的影響，熔池會較窄，從而形成了杯狀焊縫結構。此外，電弧電流對熔池寬度也有一定影響，在較高的電弧電流下更易形成一個較寬的熔池。不同焊接參數(shù)下焊縫橫截面尺寸如表2所示。

表2　AL焊縫橫截面尺寸

由于焊接技術和材料本身等因素，通常的焊接技術都會使焊接件出現(xiàn)局部縮孔現(xiàn)象，這在以往的研究中也有所報道。焊接過程中過多的熱量輸入、基底材料表面不潔凈都可能造成焊縫中存在氣孔。本研究中個別試樣也存在縮孔，主要原因有兩方面：一是合金中鎂含量較高，在焊接過程中促進了氣體吸收；二是TIG頻率為500 Hz，焊接過程中阻礙了氣體的釋放，使熔池吸入了氣團和逃逸的雜質。通過在激光束邊緣附加保護氣體，可以有效降低焊縫中氣孔數(shù)量，甚至達到無氣孔的效果。另外，氫元素會造成微觀氣孔形成，而樣品表面處理能減少氫元素來源并抑制氣孔的形成[3]。

圖2　AL焊縫橫截面形貌和焊縫整體形貌

3.2以激光為主導作用(LL)

LL焊接試樣的焊縫橫截面形貌和焊縫整體形貌如圖3所示，該結果與電弧電流、激光功率和焊接速度有關。可以看出，總體熱輸入與三個參數(shù)緊密相關。通過對比編號8和9可知，TIG電流強度的增加引起熔池深度降低。另外，隨著電弧電流值增加，凸起部分高度增大，但是復合焊接的協(xié)同效應減弱，而且這個現(xiàn)象在以電弧為主導作用的焊接中比以激光為主導作用的焊接中表現(xiàn)的更為明顯。不同焊接參數(shù)下焊縫橫截面的尺寸如表3所示。

表3　LL焊縫橫截面尺寸

圖3　LL焊縫橫截面形貌和焊縫整體形貌

6號樣品中存在氣孔缺陷，氣孔通常在鋁合金焊接中觀察不到，它的形成通常與不良的工藝參數(shù)有關[4]。在后期試驗中，經(jīng)過降低TIG電流強度，增加焊接速度能夠有效阻止焊接過程中氣孔形成。

3.3AL和LL焊縫對比分析

AL和LL焊縫橫截面對比如圖4所示。激光電弧復合焊接熱源由兩種截然不同的熱源協(xié)同作用，因此AL和LL會對熔池深度產(chǎn)生顯著影響，如7號樣品和9號樣品所示。

圖4　AL和LL焊縫橫截面樣貌對比

采用更大的激光功率后，AL和LL熔池深度差異已經(jīng)不是很明顯，如樣品5和樣品10所示。這表明如果要利用激光復合焊接技術獲得較深的熔池，就需要配置較高的激光功率。焊接凸起部分高度基本穩(wěn)定，說明電流參數(shù)在AL和LL中的影響相同。在AL和LL中，盡管焊接參數(shù)不同熔池深度有所差異，但是焊縫橫截面都是整齊“酒杯形”，再次證明激光電弧復合焊接的橋接性能優(yōu)于單一的激光焊接和氬弧焊。

在AL和LL中都出現(xiàn)了一些焊接缺陷，盡管在LL中不是很明顯，但是兩者中都有不完整的熔深缺陷，這與激光功率的損失有關。實際上，激光功率的損失或者激光分配的變化與光學面的潔凈度有很大關系，焊件表面受到污染會降低激光功率密度。3號和7號樣品有不完整的熔深，原因是焊件對接的微小偏差引起激光束錯過焊接接頭，從而導致不完整的熔深缺陷。

3.4焊接效率

焊接過程中，熔池深度主要受能量輸入影響，因此，熔池深度P可以看成是電弧焊功率和焊接速率商PTig以及激光功率和焊接速率商PL二者的函數(shù)。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，擬合建立AL和LL熔深-能量輸入的3D曲面，如圖5所示。當電弧熱功率為35 W·s/mm、激光熱功率為50 W·s/mm時，AL可達到的最大熔深約為2.37 mm；而LL中最大熔深可達3 mm，實現(xiàn)全熔透，此時電弧熱功率為30 W·s/mm，激光熱功率54 W·s/mm。顯然，LL能更好地實現(xiàn)激光熱源和TIG熱源間的協(xié)同作用，在熔深一定的情況下比AL效率更高。

圖5　熔池深度與能量輸入間的關系

3.5顯微硬度

7號樣品和8號樣品的顯微硬度信息如圖6所示，兩個樣品的熔池寬度都是3 mm，熱影響區(qū)寬度均不足1 mm。由于焊接速率很高，約為TIG標準焊接速率的3倍，熱影響區(qū)在焊接過程中經(jīng)歷了多個冷熱循環(huán)過程，而且冷卻速率也很高，對其晶粒產(chǎn)生一定的細化作用，因此熱影響區(qū)的性能相比未受到熱影響的區(qū)域有所不同，硬度有所上升。熱影響區(qū)的硬度在焊縫下方部分上升的更為顯著，因為在下方TIG作用減弱，相比于上方有更高的冷卻速率。

圖6　樣品顯微硬度/HV

圖7是5號樣品的顯微硬度，熱影響區(qū)范圍相比于7號和8號樣品要寬一些，而且由于電弧影響作用較強，焊接過程中熔池內易出現(xiàn)紊流，因此硬度值在整個焊接區(qū)域很不規(guī)律。焊接過程中伴隨著合金元素的擴散，形成固溶區(qū)并保持到室溫，除此以外還存在大范圍的過時效區(qū)域，使得熔池區(qū)域的硬度與母材硬度相當甚至低于母材硬度。

總而言之，在LL中可以觀測到完整且十分規(guī)律的顯微硬度曲線，焊接熱影響區(qū)較窄，

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Weld morphology and properties changes of AA5754 aluminum alloy for architectural decoration in laser hybrid welding process

DONG Xiaoying
（Hebei Energy Institute of Vocation and Technology，Tangshan 063000，China）

Laser hybrid welding is a new welding technique using compounded heat sources of arc and laser.In this paper，using a new generation of high power fiber laser and TIG welding torch，two sets of experiments have been completed by laser-arc hybrid welding.Study the laser power，welding speed and arc current on the quality of welding，and a comparison has been performed between laser leading and arc leading configuration.The results show that the compound welding with laser as the leading role has better penetration welding and welding quality，and is further proved in the practical work.

laser hybrid welding；TIG；laser power；welding speed

TG457.14

A

1001－2303（2016）03－0071-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.15

2015－03－21；

2015－05－09

河北省高等教育教學改革研究項目（2012GJJG264）

董曉英（1977—），女，河北唐山人，碩士，副教授，主要從事建筑材料的研究工作。