鋁合金激光焊接技術(shù)研究進(jìn)展

趙耀邦，張小龍，李中權(quán)，朱曉星

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海201600）

鋁合金激光焊接技術(shù)研究進(jìn)展

趙耀邦，張小龍，李中權(quán)，朱曉星

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海201600）

綜述鋁合金激光焊接技術(shù)特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀，開展3mm厚LF6鋁合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接工藝研究。文獻(xiàn)綜述表明，鋁合金激光自熔焊接表面成形不好，且易于產(chǎn)生氣孔缺陷，激光填絲焊、激光-電弧復(fù)合焊以及雙光束激光焊等能夠有效地解決上述鋁合金激光焊接問題。試驗(yàn)研究表明，激光-MIG電弧復(fù)合焊接LF6鋁合金可獲得良好的焊縫成形，內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到QJ1666A-2011Ⅰ級(jí)焊縫質(zhì)量要求，接頭強(qiáng)度達(dá)到母材的90%以上，具備較為優(yōu)異的力學(xué)性能。

鋁合金激光焊接；激光-電弧復(fù)合焊；激光填絲焊

0 前言

鋁及鋁合金耐腐蝕性好、比強(qiáng)度較高、導(dǎo)熱性以及低溫力學(xué)性能良好，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。尤其在航空航天領(lǐng)域使用了大量的鋁合金薄壁焊接結(jié)構(gòu)，飛機(jī)機(jī)身是鋁合金蒙皮和桁條的焊接（或鉚接）結(jié)構(gòu)，運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱均為鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。

攪拌摩擦焊接鋁合金具有焊接質(zhì)量好、變形小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但該方法對(duì)工件的裝配以及接頭形式的要求近乎苛刻，缺乏一定的工藝柔性。氬弧焊作為一種焊接質(zhì)量較好、成本較低的熔焊方法，是鋁合金焊接的重要方法。與碳鋼相比，鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)為其5倍，線膨脹系數(shù)為其2倍，這表明鋁合金焊接需要更高的焊接熱輸入，同時(shí)鋁合金材料更易變形，而鋁合金的彈性模量只有鋼的三分之一，加上薄壁結(jié)構(gòu)自身剛性不足，焊接變形的問題更加突出[1]。鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)氬弧焊接變形帶來產(chǎn)品形位公差超標(biāo)、尺寸不穩(wěn)定等一系列問題。

焊接殘余變形是被焊結(jié)構(gòu)在焊接熱源不均勻加熱作用下的熱應(yīng)力所產(chǎn)生的，因此減少焊接線能量是從源頭上控制焊接變形的重要措施。激光焊與氬弧焊相比，激光束光斑直徑小，能量密度高，可以精確控制焊接熱輸入，焊接線能量小，激光焊接變形和殘余應(yīng)力均很小。隨著低成本、高效率、高光束質(zhì)量的大功率光纖激光出現(xiàn)，為激光焊接技術(shù)在鋁合金材料的應(yīng)用帶來新的發(fā)展契機(jī)。

1 鋁合金激光焊接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 鋁合金激光自熔焊

對(duì)于鋁合金激光焊來說，鋁合金表面對(duì)激光的初始反射率較高，需要較大的激光功率；光斑直徑小，工件對(duì)中、間隙適應(yīng)性較差，對(duì)焊接工裝和光束的精確調(diào)整要求較高；焊接過程加熱和冷卻速度快，加之匙孔效應(yīng)導(dǎo)致合金元素蒸發(fā)，焊接氣孔缺陷多；激光能量密度集中，匙孔效應(yīng)導(dǎo)致合金元素的揮發(fā)、燒損嚴(yán)重，易出現(xiàn)焊縫下凹和咬邊現(xiàn)象。對(duì)于鈑金成形的薄壁結(jié)構(gòu)件，由于其成形精度難以精確控制，焊接裝配間隙較大，并且不可避免地存在一定的錯(cuò)邊，都為激光自熔焊接技術(shù)在鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件的推廣和應(yīng)用帶來了困難。

鑒于上述鋁合金激光自熔焊特點(diǎn)，激光自熔焊技術(shù)一般只用于較薄結(jié)構(gòu)密封焊以及對(duì)焊接質(zhì)量要求不高的情況。

1.2 鋁合金激光填絲焊

與激光自熔焊相比，激光填絲焊放寬了焊接工藝要求；通過填充不同成分的焊絲，改善焊縫組織力學(xué)性能，改變焊縫金屬流動(dòng)特性，改善焊縫成形，抑制氣孔、裂紋等缺陷的產(chǎn)生；利用較小功率的激光器來實(shí)現(xiàn)厚板窄焊道多層焊；激光填絲的效率與傳統(tǒng)的自熔焊差不多，參數(shù)選擇適當(dāng)時(shí)，大于激光自熔焊的焊接效率[2]。

飛機(jī)壁板是激光填絲焊接技術(shù)最為典型的應(yīng)用。歐洲空客從20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行鋁合金壁板雙側(cè)同步激光填絲焊接研究，2000年完成首件A318機(jī)身下壁板的激光焊接，2003年開始批量生產(chǎn)應(yīng)用，目前A318、A340、A380機(jī)身下壁板均采用激光焊接。

我國(guó)正在研制的C919大型客機(jī)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了機(jī)身壁板雙側(cè)激光同步填絲焊接鋁合金T型接頭的研究工作，為實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)機(jī)身壁板的激光焊接提供裝備和工藝支撐[3]。

1.3 鋁合金激光-電弧復(fù)合焊

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是20世紀(jì)70年代英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)W.Steen教授提出來的一種復(fù)合熱源焊接方法[4]，如圖1所示。激光-電弧復(fù)合焊接兼有激光和電弧各自的優(yōu)勢(shì)，又彌補(bǔ)了各自的不足之處，其特點(diǎn)如下：電弧的加熱延長(zhǎng)了單激光焊接的凝固速度快的問題，有利于減少氣孔、裂紋缺陷，電弧焊絲作用可改善焊縫冶金，提高激光對(duì)間隙、錯(cuò)變的工藝適應(yīng)能力。因此，激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件的高效、高適應(yīng)性、優(yōu)質(zhì)焊接的最佳方法之一[5]。

圖1 激光-MIG電弧復(fù)合焊接示意

在國(guó)外，鋁合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、高速列車等領(lǐng)域。

德國(guó)大眾汽車公司已將激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)用于鋁合金汽車框架和轎車車門的焊接。最近幾年，激光焊在高速列車制造領(lǐng)域快速發(fā)展，英國(guó)TWI、德國(guó)BIAS均開展了用于高速列車的鋁合金蜂窩板結(jié)構(gòu)激光-MIG復(fù)合焊技術(shù)。在日本，已建成了鋁合金車體激光-MIG復(fù)合焊生產(chǎn)線[6]，如圖2所示。

近年來，國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)以及哈爾濱焊接研究所均開展了鋁合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)的基礎(chǔ)研究，長(zhǎng)春軌道客車、唐山軌道客車以及中船重工725所開展了工藝應(yīng)用研究，結(jié)果表明采用激光-MIG電弧復(fù)合焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)焊接。

1.4 鋁合金激光-電弧雙面焊接技術(shù)

采用激光-電弧復(fù)合焊接（即一般意義上的同側(cè)復(fù)合焊接）鋁合金，由于激光需穿過電弧后才能作用于工件，電弧等離子體對(duì)激光的吸收、散焦以及折射作用不可避免地造成激光能量的損耗。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)苗玉剛博士提出了激光-TIG電弧雙面焊接鋁合金技術(shù)[7-9]，研究表明根據(jù)激光與電弧熱輸入的不同，呈現(xiàn)3種典型接頭形狀：小束腰“X”型、中束腰“X”型、大束腰“X”型，如圖3所示，同時(shí)焊接過程穩(wěn)定、焊接效率大幅度提高，工藝適應(yīng)性較傳統(tǒng)單激光焊接明顯增強(qiáng)。

1.5 鋁合金雙光束激光焊接技術(shù)

為了解決常規(guī)單光束激光焊存在的局限性，將單光束激光分離成兩束激光，通過改變兩束激光能量配比、光束間距、排布方式，對(duì)激光焊接溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行方便、靈活的調(diào)節(jié)，改變匙孔的存在模式和熔池的流動(dòng)方式，提高單光束激光焊的工藝適應(yīng)性，為激光焊接工藝提供更加廣闊的選擇空間。

美國(guó)學(xué)者J.XIE研究了鋁合金雙光束激光焊接技術(shù)，研究表明雙光束激光焊接鋁合金可顯著改善焊縫表面成形和咬邊缺陷以及減少氣孔缺陷[10]。此外，法國(guó)學(xué)者A.Haboudou、尼桑汽車研究所的T.Iwase、德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Andreas RuB均得到類似結(jié)果[11-13]。

圖2 日本The Kinki Sharyo Co.，Ltd.鋁合金高速列車激光-MIG焊生產(chǎn)線

圖3 典型熱輸入條件下雙面焊的接頭形狀

2 3mm厚LF6鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在機(jī)器人光纖激光焊接系統(tǒng)上進(jìn)行，系統(tǒng)由4kW的IPG光纖激光器、福尼斯TPS4000型MIG/MAG焊接電源以及KUKA機(jī)器人組成，德國(guó)Precitec YW52激光焊接頭和福尼斯推拉絲焊槍組成激光-MIG復(fù)合焊接頭，激光焊接頭與MIG焊槍采用可調(diào)節(jié)的機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)，可調(diào)整激光束與MIG電弧之間的夾角和距離（光絲間距），復(fù)合焊接頭整體置于機(jī)器人臂上，如圖4所示。焊接試驗(yàn)采用母材為3 mm厚5A06鋁合金（LF6）板材，試板尺寸100mm×300mm。

圖4 激光-MIG電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)

2.2 焊縫成形

鋁合金激光-MIG電弧復(fù)合焊接主要工藝參數(shù)為光絲間距、焊接速度、激光功率P、離焦量Δf、MIG電流、MIG氣流量、焊絲干伸、MIG電弧弧長(zhǎng)修正等。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，可獲得良好的鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接焊縫成形，如圖5所示。通過X射線探傷焊縫內(nèi)部質(zhì)量，達(dá)到QJ1666A-2011Ⅰ級(jí)焊縫質(zhì)量要求。

圖5 鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接表面成形

2.3 接頭力學(xué)性能

在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上對(duì)鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)，均斷裂在焊縫和熱影響區(qū)，這表明焊縫及熱影響區(qū)依然是接頭的薄弱環(huán)節(jié)，如圖6所示。接頭平均強(qiáng)度338 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的95%以上，接頭平均延伸率14.1%，達(dá)到母材的76%以上，具備良好的力學(xué)性能。

2.4 鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接變形

為了定性描述鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接對(duì)焊接變形的控制，對(duì)比測(cè)量平板TIG焊和激光-MIG復(fù)合焊接橫向角變形和縱向撓曲變形的大小，如圖7、圖8所示。縱向最大撓曲變形TIG焊高達(dá)11.2mm，激光-MIG復(fù)合焊僅2.1mm；橫向最大角變形TIG焊為8.6°，激光-MIG焊僅2.4°，這表明與常規(guī)的TIG焊工藝相比，采用激光-MIG電弧復(fù)合焊接能夠更好地控制鋁合金焊接變形。

圖6 接頭斷裂形貌

圖7 TIG及激光-MIG復(fù)合焊接角變形對(duì)比

4 結(jié)論

（1）鋁合金激光自熔焊接表面成形不好，且易產(chǎn)生氣孔缺陷，激光填絲焊、激光-電弧復(fù)合焊以及雙光束激光焊等能夠有效解決上述問題。

（2）對(duì)3 mm厚LF6鋁合金進(jìn)行激光-MIG復(fù)合焊接，通過工藝優(yōu)化，可獲得良好的焊縫表面成形，內(nèi)部質(zhì)量也達(dá)到QJ1666A-2011Ⅰ級(jí)焊縫質(zhì)量要求。

（3）接頭平均強(qiáng)度338 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的95%以上，接頭平均延伸率14.1%，達(dá)到母材的76%以上，具備良好的力學(xué)性能。

（4）鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接縱向撓曲變形和橫向角變形均小于TIG焊。

圖8 TIG及激光-MIG復(fù)合焊撓曲變形對(duì)比

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Development of laser welding for aluminum alloy

ZHAO Yaobang，ZHANG Xiaolong，LI Zhongquan，ZHU Xiaoxing
（Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute，Shanghai 201600，China）

Welding characteristics and recent advances of laser welding for aluminum alloy were reviewed，and laser-MIG hybrid welding for 3 mm thickness LF6 were studied.It was indicated that bad appearance and porosity were the main weld defects for laser welding without filler metal.Laser-arc hybrid welding，laser welding with filler metal and dual beam laser were the good methods for welding aluminum alloy.From the experiment results，the weld appearance of laser-MIG welding was fine,and met criteria of weld quality of QJ1666A-2011Ⅰ.The joint strength can be over the 90%of mother materials.

laser welding for aluminum alloy；laser-arc hybrid welding；laser welding with filler metal

TG456.7

C

1001－2303（2017）02－0008-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.02

2016-10-07

趙耀邦（1982—），男，高級(jí)工程師，博士，主要從事焊接、激光加工、表面工程技術(shù)等研究工作。

獻(xiàn)

趙耀邦，張小龍，李中權(quán)，等.鋁合金激光焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：8-12.