異種鋁合金激光誘導(dǎo)電弧拼焊接頭塌陷研究

叢炳坤 趙 斌 高 睿

（山東工業(yè)技師學(xué)院， 山東 濰坊 261053）

低合金高強(qiáng)鋼激光—電弧復(fù)合焊的研究表明，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低合金高強(qiáng)鋼的無預(yù)熱或低溫預(yù)熱條件下優(yōu)質(zhì)高效的焊接。然而，中等厚度板材激光—電弧復(fù)合焊接對(duì)接坡口一般采用大鈍邊、小角度、無間隙形式，與傳統(tǒng)坡口形式存在較大差別，所形成的接頭斷面形狀也與常規(guī)弧焊存在較大差異，鈍邊部位形成的接頭根部位置的化學(xué)成分、組織狀態(tài)及力學(xué)性能等對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響較大，但在此方面的研究較少，缺乏較系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)。

1 電弧釬焊工藝

電弧釬焊工藝（如MIG 釬焊和MAG 釬焊等） 是一種將釬焊與電弧熔焊結(jié)合的技術(shù)，以傳統(tǒng)熔焊常用的電弧為熱源，采用熔點(diǎn)低于母材的焊絲，使其在電弧熱作用下熔化，在低于母材熔點(diǎn)、高于釬料熔點(diǎn)的溫度下，液態(tài)釬料在母材表面潤濕、鋪展并在母材間隙中填縫，釬料與母材相互擴(kuò)散與熔解，最終實(shí)現(xiàn)母材的連接。電弧釬焊一般采用低熔點(diǎn)的銅基焊接材料，與熔化焊接工藝（如MIG 焊和MAG 焊等）相比，熱輸入較低，非常適用于薄板不銹鋼與耐候鋼異種鋼的焊接。目前對(duì)不銹鋼和耐候鋼薄板的電弧釬焊工藝的相關(guān)研究報(bào)道較少，主要集中在釬焊工藝、接頭性能等方面。

2 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為6061-T6 和5083-O 鋁合金，材料尺寸為100mm×60mm×1.5mm。試驗(yàn)采用自行搭建的低功率脈沖激光誘導(dǎo)電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)。其中激光器為波長為1.064μm 的脈沖Nd：YAG 激光器，焦距為100mm，焦點(diǎn)光斑直徑為0.6mm。采用交流TIG 電弧，以純氬作為保護(hù)氣體，采用激光在前電弧跟后的焊接方式。焊前用鋼絲刷和砂紙打磨去除鋁板表面氧化膜，用酒精清洗去除油污，清理后在24 小時(shí)內(nèi)完成焊接，避免母材被再次氧化。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊縫根部化學(xué)成分

對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼厚板大鈍邊的激光焊焊縫的特性與焊縫元素分布有密切關(guān)系，根部作為易出現(xiàn)裂紋等缺陷的位置，需對(duì)大厚板激光—MAG 電弧復(fù)合焊焊縫接頭取樣并進(jìn)行元素分析，復(fù)合焊接頭焊縫根部的元素含量介于母材與焊絲之間。

3.2 接頭塌陷對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

圖1 為焊接參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)性能的影響。其中圖1（a）為電弧焊過程中焊接電流對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響，可以看出隨著焊接電流的增加，焊接接頭不一致塌陷程度RTW和RTD 分別保持在2.0 和3.6 上下波動(dòng)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度先逐漸增加，焊接電流為90A 時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大為母材的72%，隨焊接電流的進(jìn)一步增加，焊接接頭抗拉強(qiáng)度逐漸減小；圖1（b） 為激光誘導(dǎo)電弧焊過程中激光功率對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響，可以看出隨著激光功率的增加，不一致塌陷深度比RLW 保持在1.52 上下波動(dòng)，而不一致塌陷深度比RLD 逐漸由3.19 減小至2.1，接頭的抗拉強(qiáng)度先增后減，激光功率為445W 時(shí)，RLD 為2.52，此時(shí)接頭強(qiáng)度達(dá)到最大，約為母材的80%，隨著激光功率的進(jìn)一步增加，接頭抗拉強(qiáng)度逐漸減小。

圖1 焊接接頭不一致塌陷對(duì)力學(xué)性能的影響

4 焊縫塌陷成因及改善機(jī)制

焊接接頭的不一致塌陷現(xiàn)象主要是由兩種鋁合金的熱物理參數(shù)和化學(xué)成分不同引起的。列出兩種鋁合金的熱物理參數(shù)，可以看出各溫度下兩種鋁合金的比熱容相當(dāng)，而5083鋁合金的熱導(dǎo)率明顯小于6061 鋁合金，說明兩種鋁合金的吸熱能力相當(dāng)，但5083 鋁合金散熱能力弱，因此焊接過程熱量在5083 鋁合金側(cè)累積，使5083 鋁合金側(cè)熔池存在時(shí)間較長。牛振等人研究表明5083 鋁合金焊接過程中，由于Mg元素蒸發(fā)劇烈以及熔池液態(tài)金屬流動(dòng)性強(qiáng)，造成焊縫塌陷較為嚴(yán)重。5083 鋁合金中Mg 元素的含量為6061 鋁合金中的4倍，在焊接過程中Mg 元素蒸發(fā)劇烈，產(chǎn)生的蒸發(fā)粒子流反沖力大。

5 結(jié)語

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，隨著焊接電流的減小或者焊接速度的提高，橫焊接頭的不對(duì)稱性得到緩解;焊槍傾斜一定角度，利用電弧分力可以抑制橫焊接頭的不對(duì)稱性。激光引入使焊接熱輸入明顯降低，激光誘導(dǎo)電弧焊的最大熱輸入比電弧焊的最小熱輸入減小了7.81%，造成焊縫塌陷量明顯減小，其中D L5 的最大值比D T5 最小值減小了25.4%。