激光清洗對A5083-H111鋁合金MIG焊力學(xué)性能的影響

郭志成 王秋影 秦文照

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心 山東 青島 266111；2.中國鐵路濟南局集團有限公司青島機車車輛監(jiān)造項目部 山東 青島 266111)

A5083-H111鋁合金具有很高的強度重量比、良好的焊接性和良好的耐腐蝕性，在軌道交通行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鋁合金主要作為焊接結(jié)構(gòu)件使用，其表面存在著一層高熔點氧化膜，會阻礙焊接能量的傳遞，導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性變差，使焊縫內(nèi)出現(xiàn)夾渣和氣孔等焊接缺陷[1]。因此，焊接鋁合金前需要進(jìn)行焊前表面預(yù)處理。

常用的焊前預(yù)處理方法有機械刮削法和化學(xué)清洗法。機械刮削法操作簡單，但是效率較低并且去除氧化膜效果較差?；瘜W(xué)清洗法則容易對環(huán)境造成污染并且工序相對復(fù)雜。

目前，激光清洗是一種新興的表面預(yù)處理方法。激光清洗具有清潔質(zhì)量好、清洗效率高、基體損傷小、勞動強度低、適用對象廣、不污染環(huán)境以及易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[2]。研究表明，鋁合金焊前激光清洗可改善焊縫成形[3]，減小焊接接頭的氣孔率[4]，減少接頭內(nèi)部缺陷，細(xì)化熔合區(qū)組織，提高接頭力學(xué)性能[5]。

采用激光清洗進(jìn)行A5083-H111鋁合金MIG焊前和焊后的清洗，根據(jù)ISO 15614-2：2015《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定》進(jìn)行評價，分析激光清洗后的表面形貌及其對A5083-H111鋁合金MIG焊力學(xué)性能的影響，對激光清洗在鋁合金焊接中的應(yīng)用研究和推廣有很大的參考價值。

1 試驗材料、設(shè)備和方法

1.1 試驗材料

試驗中采用A5083-H111鋁合金板材為試驗對象，厚度為14 mm，此試驗用板材滿足JIS H4100要求，化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 A5083-H111鋁合金各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%

表2 A5083-H111鋁合金力學(xué)性能

MIG焊填充材料采用進(jìn)口ER5356焊絲，焊絲直徑為?1.6 mm，符合AWS A5.10標(biāo)準(zhǔn)要求，抗拉強度不低于275 MPa，焊絲化學(xué)成分如表3所示。

1.2 鋁合金焊前和焊后激光清洗

采用1 064 nm波長的激光清洗器對鋁合金進(jìn)行焊前氧化膜的清洗和焊后黑灰清洗，輸出功率為30 W，脈沖頻率為100 kHz、 脈沖寬度為5 ns、 單脈沖能量為1 MJ。激光清洗所采用的激光的離焦量為零，光斑直徑為50 μm，激光掃描寬度為40 mm。

表3 ER5356焊絲化學(xué)成分 /%

1.3 鋁合金MIG焊

將采用激光清洗后的鋁合金板放置8 h后進(jìn)行焊接，采用MIG焊，鋁合金板開60°的V型坡口，留3 mm鈍邊和1.6 mm間隙，焊接的工藝參數(shù)如表4所示。

表4 MIG焊接工藝表

2 試驗結(jié)果

2.1 鋁合金激光清洗后的形貌

激光清洗前后，在光學(xué)顯微鏡下觀察到了如圖1所示的鋁合金表面形貌。激光清洗前，鋁合金表面有許多斑狀油污，可以觀察到軋制過后的痕跡，表面還有一些不規(guī)則劃痕。激光清洗后，表面的油污斑、軋制痕跡和劃痕被激光剝離掉，表面有整齊的激光清洗條帶狀痕跡。

圖1 鋁合金表面形貌

激光清洗前后，鋁合金表面3D形貌如圖2所示，激光清洗前，鋁合金表面的最大高度差值為41 μm，結(jié)合圖1可知，凸起部分主要是油污，凹下部分主要是劃痕；激光清洗后，鋁合金表面的最大高度差值為18 μm，此時表面起伏較清洗前減小，且均勻性較好?？梢?，激光清洗可以降低鋁合金表面的凹凸不平程度。

圖2 鋁合金表面3D形貌

2.2 焊后鋁合金板激光清洗后宏觀狀態(tài)

MIG焊接完成后按ISO 17637：2016《焊縫的無損檢驗 熔焊接頭的外觀檢驗標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行焊縫外觀檢測，焊縫成形良好，表面無缺陷，焊縫外觀符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。采用焊前激光清洗的相同工藝參數(shù)及流程對焊縫進(jìn)行清洗，能夠明顯有效地去除焊后表面黑灰，如圖3所示。

圖3 焊后激光清洗鋁合金焊縫周圍的黑灰

2.3 焊后鋁合金板激光清洗后無損檢測結(jié)果

按ISO 17636：2013《焊縫無損檢測—熔化焊接頭射線檢測》標(biāo)準(zhǔn)，對焊前焊后激光清洗的鋁合金MIG接頭進(jìn)行X射線無損檢測，焊縫無氣孔、裂紋、未熔合等缺陷，達(dá)到ISO 17636：2013 B級標(biāo)準(zhǔn)，檢測合格。

2.4 鋁合金焊接接頭力學(xué)性能檢測

2.4.1拉伸試驗結(jié)果

拉伸試驗參照ISO 4136：2012《金屬材料焊接的破壞試驗—橫向抗拉試驗》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，拉伸速率為2 mm/s，采用平滑試樣，拉伸試驗結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，焊前焊后激光清洗的鋁合金MIG接頭試樣斷于焊縫，屈服強度為164 MPa，抗拉強度為247.7 MPa，斷后伸長率為9%，根據(jù)ISO 15614-2：2015進(jìn)口ER5356焊絲重熔金屬的抗拉強度為237 MPa，發(fā)現(xiàn)接頭的抗拉強度高于重熔金屬的抗拉強度，低于母材，約為母材的84.64%，斷后伸長率也與母材接近。試驗后，采用體視顯微鏡對拉伸斷口進(jìn)行觀察，未見到明顯解理界面，判斷斷裂形式為韌性斷裂。

表5 拉伸試驗數(shù)據(jù)

2.4.2沖擊試驗結(jié)果

沖擊試驗參照ISO 9016：2012《金屬材料焊接破壞性試驗—沖擊試驗—試樣位置、缺口方位和檢查》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，沖擊速度為5.2 m/s，焊前焊后激光清洗的鋁合金MIG接頭平均沖擊試驗數(shù)據(jù)為25.5 J，略優(yōu)于母材。

2.4.3硬度試驗結(jié)果

硬度試驗采用HVS-30維氏硬度計，按照ISO 6507：2018《金屬材料 維氏硬度試驗》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度試驗，載荷為3 kg，載荷保持時間為10 s，測試點間距為1 mm，試驗路徑和結(jié)果如圖4所示。焊前焊后激光清洗的鋁合金MIG接頭的硬度值在79.66～98.75 HV之間，與母材相差不大。

圖4 硬度測試路徑與結(jié)果

3 結(jié)論

激光清洗可去掉鋁合金表面的油污、氧化膜和劃痕等，且表面粗糙度減小。焊前清洗激光鋁合金MIG接頭表面成型良好，外觀和內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，激光清洗有效去除焊后黑灰，拉伸、沖擊和硬度等力學(xué)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。含焊前、焊后激光清洗工藝的整個焊接工藝滿足ISO 15614-2工藝評定標(biāo)準(zhǔn)，激光清洗可以用于A5083-H111鋁合金的焊前和焊后清洗。

目前受限于工藝?yán)碚撗芯亢驮O(shè)備開發(fā)技術(shù)，焊前及焊后激光清洗尚未真正取代傳統(tǒng)的清洗方法，隨著科技的進(jìn)步及環(huán)保要求的提高，激光清洗具有廣泛的應(yīng)用前景。