6082-T6鋁合金中厚板MIG焊與激光-MIG復(fù)合焊工藝和數(shù)值模擬對(duì)比研究

鄧望紅，陳順，廖寧寧，林敏，王艷淼

1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司 湖南株洲 412000

2.株洲國(guó)創(chuàng)軌道科技有限公司 湖南株洲 412000

1 序言

6082-T6鋁合金具有良好的物理和化學(xué)性能，其質(zhì)量輕、耐蝕性好、比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、航空航天、軌道交通、電子等行業(yè)[1-4]。在軌道交通零部件制造領(lǐng)域，對(duì)于6082-T6鋁合金的焊接，主要是采用多層多道的傳統(tǒng)電弧焊接方法，這種方法焊接效率較低，加工精度不高，并且由于熱輸入量大，工件被反復(fù)加熱，所以使得工件變形較大，嚴(yán)重影響了焊縫的性能。激光-MIG復(fù)合焊是一種新的焊接方法，它既具有激光高能量密度的優(yōu)勢(shì)，又能發(fā)揮電弧高熱輸入的作用，最終得到的焊縫熔深較大，焊接接頭的質(zhì)量較高[5，6]。

近年來(lái)，激光-MIG復(fù)合焊已經(jīng)成為了激光焊接領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。韓曉輝等采用激光-MIG復(fù)合焊對(duì)6106-T6鋁合金進(jìn)行焊接，對(duì)比了光纖激光-冷金屬過(guò)渡焊、光纖激光-變極性鎢極惰性氣體保護(hù)焊、光纖激光-熔化極惰性氣體保護(hù)焊三種復(fù)合焊接方法得到的焊縫，并分析得出三種復(fù)合焊接方法得到的焊縫成形良好、無(wú)明顯缺陷，但是激光-MIG復(fù)合焊接頭的間隙適應(yīng)性較好[7]。季衛(wèi)東等對(duì)6005A鋁合金采用雙層激光-MIG復(fù)合焊方法進(jìn)行焊接，研究發(fā)現(xiàn)激光-MIG復(fù)合焊方法得到的焊接接頭拉伸性能得到了較大的提升[8]。張林等采用激光-MIG復(fù)合焊對(duì)7A52厚板鋁合金進(jìn)行焊接，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能分析，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)電弧焊接，焊縫效率提高了將近兩倍，并且激光和電弧作用區(qū)域的不同，硬度和抗拉強(qiáng)度也有所差異[9]。STEEN通過(guò)對(duì)比分析研究也提出了激光-電弧復(fù)合焊相比于單激光焊接具有一定的優(yōu)勢(shì)[10]。

本文針對(duì)10mm厚6082-T6鋁合金，采用激光-MIG復(fù)合焊和MIG焊接工藝，結(jié)合工藝試驗(yàn)和數(shù)值模擬，對(duì)比分析兩種焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能及變形量。

2 試驗(yàn)材料和研究方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用10mm厚6082-T6鋁合金板材作為母材，保護(hù)氣體為純度99.999%的高純氬氣，采用φ1.2mm的ER5087鋁合金焊絲，6082-T6鋁合金板材和ER5087焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。激光-MIG復(fù)合焊采用對(duì)接不開(kāi)坡口，MIG焊采用對(duì)接開(kāi)設(shè)135°坡口，焊前使用酒精將工件表面的油污和灰塵清理干凈。

表1 焊接材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

本文采用IPG公司生產(chǎn)的6.0kW光纖激光器實(shí)施焊接，如圖1所示。激光器的最大功率為6.0kW、波長(zhǎng)為1.07μm、聚焦得到的光斑直徑為0.48mm。采用Fronius公司生產(chǎn)的TPS4000 CMT Advanced焊機(jī)，焊接過(guò)程中采用的焊接參數(shù)來(lái)自焊機(jī)內(nèi)置專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)，分別將送絲速度、焊接電流、電弧電壓作為一元化參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，以送絲速度作為參數(shù)代表，保護(hù)氣流量為20L/min，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 激光-MIG復(fù)合焊接試驗(yàn)設(shè)備

表2 焊接參數(shù)

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

焊后通過(guò)金相切割將兩種試樣切割成10mm×10mm×10mm的樣品，分別經(jīng)過(guò)打磨、拋光以及超聲波清洗，使用凱勒試劑進(jìn)行腐蝕，清洗過(guò)后使用OLYMPUS DSX110超景深顯微鏡對(duì)橫截面的宏觀形貌進(jìn)行觀察。采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡對(duì)橫截面的顯微組織進(jìn)行觀察，并通過(guò)Q60A維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)。拉伸試驗(yàn)按GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣尺寸

在焊接過(guò)程中，變形主要分為撓曲變形和角變形。本文將焊后試板置于5mm厚的基板上，用量尺分別測(cè)量邊變形的最大值作為撓曲變形結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊縫表面形貌

圖3分別是MIG焊和激光-MIG復(fù)合焊接6082-T6鋁合金的焊縫宏觀形貌，二者的橫截面形貌如圖4所示。MIG焊接采用三層四道的方法完成焊接，并且在實(shí)施對(duì)接焊之前將對(duì)接處開(kāi)設(shè)了135°的坡口。從圖3a可以看出，MIG焊接的焊縫熔寬較大，表面呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀。在MIG焊接過(guò)程中，由于采用分層多道焊，熔池的熔融金屬流動(dòng)均勻平穩(wěn)，焊縫表面較為平整，如圖4a所示。激光-MIG焊接接頭熔寬較窄，焊縫成形飽滿，焊縫表面無(wú)明顯缺陷形成，如圖4b所示。但是，相比于MIG焊接，由于激光-MIG復(fù)合焊焊接速度較大，熔池凝固的時(shí)間較短，導(dǎo)致氣體來(lái)不及逸出，從而遺留在焊縫中形成氣孔，并且氣孔大多集中于焊縫的上表面，如圖4b所示。

圖3 焊縫宏觀形貌

圖4 焊縫橫截面形貌

3.2 焊縫微觀組織

圖5為MIG焊與激光-MIG復(fù)合焊的焊縫顯微組織，從圖中可以明顯分辨出焊縫處熔合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材。MIG焊接接頭熔合區(qū)的顯微組織大部分為等軸晶（見(jiàn)圖5a），在焊縫分界處靠近焊縫熔合區(qū)一側(cè)的組織主要為粗大的柱狀晶，其生長(zhǎng)的方向?yàn)樯岱较颍ㄒ?jiàn)圖5b），并且MIG焊接接頭的熱影響區(qū)大于激光-MIG復(fù)合焊，這是為了保證焊縫的形成，因MIG焊接的熱輸入量大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致的。特別是在MIG焊接接頭的熔合區(qū)，有氣孔生成。激光-MIG復(fù)合焊接接頭熔合區(qū)的組織也主要分布的是等軸晶（見(jiàn)圖5c），從熔合區(qū)到熔合線，晶粒形貌由等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?，晶粒尺寸增大，并且在熔合區(qū)，由于焊接過(guò)程中熔池中的氫氣未能及時(shí)逸出，故也形成了少量的小氣孔，如圖5d所示。

圖5 焊縫的微觀組織

3.3 顯微硬度

圖6和圖7分別是MIG焊和激光-MIG焊焊縫橫截面的顯微硬度分布情況。由圖6可知，MIG焊焊縫熔合區(qū)平均顯微硬度為76.7HV。熔合區(qū)顯微硬度高于母材，熱影響區(qū)的顯微硬度最低，這是因?yàn)殇X合金在焊接時(shí)，熱影響區(qū)出現(xiàn)“軟化”問(wèn)題，并且從顯微組織也可以看出，焊縫熔合區(qū)的晶粒較細(xì)[11]。從圖7可以看出，激光-MIG復(fù)合焊焊縫熔合區(qū)平均顯微硬度為91.6HV，高于MIG焊接接頭熔合區(qū)的硬度值，這是因激光-MIG復(fù)合焊接接頭冷卻速率高于MIG焊而導(dǎo)致熔合區(qū)晶粒比較細(xì)小。同樣地，熱影響區(qū)的硬度最低。無(wú)論是MIG焊焊縫還是激光-MIG復(fù)合焊焊縫，在熔合區(qū)，焊縫中心的硬度均低于兩側(cè)，這是因?yàn)闊嵩粗行牡臒彷斎肓孔畲螅鋮s速率低于兩側(cè)，因此晶粒尺寸較大，硬度偏低。但是，相比于母材和熱影響區(qū)，熔合區(qū)的硬度均最大，這主要是由于焊絲的補(bǔ)充，從而使得焊縫硬度得到提高。

圖6 MIG焊接接頭的顯微硬度

圖7 激光-MIG復(fù)合焊接接頭的顯微硬度

3.4 拉伸性能

為了檢測(cè)焊縫的抗拉強(qiáng)度，采用橫向拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。MIG和激光-MIG復(fù)合焊接工藝的平均抗拉強(qiáng)度分別為228.7MPa和256MPa，母材的抗拉強(qiáng)度為335MPa。MIG焊接和激光-MIG復(fù)合焊接的焊縫抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到母材的68.2%和76.4%，激光-MIG復(fù)合焊接和MIG焊接試樣拉伸斷裂的位置均位于熱影響區(qū)（見(jiàn)圖8）。激光-MIG復(fù)合焊接接頭的抗拉強(qiáng)度大于MIG焊接接頭，這主要是MIG焊熱輸入量較大，鎂、鋅元素的燒損比較嚴(yán)重，并且由于MIG焊焊縫內(nèi)部的氣孔孔徑較大，從而使得焊縫較易形成裂紋，最終導(dǎo)致接頭的抗拉強(qiáng)度降低[12]。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖8 拉伸試件斷裂形貌

4 數(shù)值模擬

4.1 網(wǎng)格劃分

采用多物理場(chǎng)耦合仿真軟件C O M S O L進(jìn)行有限元計(jì)算，工件的幾何尺寸為3 0 0 m m× 150mm×10mm，為了提高計(jì)算效率和減小計(jì)算成本，將對(duì)接面進(jìn)行對(duì)稱(chēng)處理。在網(wǎng)格處理方面，將焊縫和熱影響區(qū)劃分的網(wǎng)格尺寸設(shè)置較小，遠(yuǎn)離焊縫處的網(wǎng)格尺寸適當(dāng)加大。網(wǎng)格模型如圖9所示。

圖9 三維網(wǎng)格實(shí)體模型

4.2 邊界條件

在傳熱模塊中，焊接的初始溫度為20℃，焊接過(guò)程中，工件與外界存在對(duì)流換熱和傳導(dǎo)熱，因此除了工件底部，其他面均為對(duì)流熱通量邊界條件，表面為對(duì)外界輻射邊界條件。

在固體力學(xué)模塊中，由于約束邊界直接對(duì)焊后工件的變形和殘余應(yīng)力影響較大，因此在本次模擬中將工件視為剛體來(lái)研究。在工件表面選擇4個(gè)節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行位移限制，并且4點(diǎn)呈矩形分布，如圖10所示。

圖10 工件固定約束分布

4.3 熱源

M I G焊接采用的熱源模型為雙橢球體熱源模型，而激光-MIG復(fù)合焊接采用熱流峰值指數(shù)遞增-錐體熱源[13]。激光-MIG復(fù)合焊和MIG焊溫度場(chǎng)如圖11所示。根據(jù)熱輸入量公式（1）可以得出：當(dāng)激光功率為4.0kW，焊接速度為0.72m/min時(shí)，激光-MIG復(fù)合焊的熱輸入量為8.78kJ/mm，MIG焊的熱輸入量為17.49kJ/mm。

圖11 焊接溫度場(chǎng)

4.4 變形場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖12為焊接結(jié)束后激光-MIG復(fù)合焊和MIG焊接的變形位移云圖和實(shí)測(cè)結(jié)果。由于在設(shè)定邊界條件時(shí)，表面上4個(gè)點(diǎn)為固定約束，因此未被約束的角出現(xiàn)了較大位移。在焊接過(guò)程中，MIG焊由于焊接速度慢，熱輸入量大，因此最大變形為1.98mm，并且焊件主要的變形都集中于焊縫及其附近（見(jiàn)圖12a）。從圖中可以看出，變形位移云圖以焊縫縱向中心對(duì)稱(chēng)分布，圖12b是MIG焊縫縱向中心位置實(shí)際變形情況，經(jīng)測(cè)量變形值為2.2mm：而激光-MIG復(fù)合焊的最大變形量?jī)H有1.2mm。從圖12c中可以看出，激光-MIG復(fù)合焊與MIG焊變形位移場(chǎng)形貌類(lèi)似，最大位移也出現(xiàn)在焊縫區(qū)域及附近，不過(guò)Z軸方向的位移大多<1mm，變形較小，而實(shí)際測(cè)量值約為1.1mm（見(jiàn)圖12d）。通過(guò)圖13也可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果十分相近，并且激光-MIG復(fù)合焊比MIG焊變形量小，與實(shí)際情況相吻合。

圖12 焊接變形模擬與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖13 激光-MIG復(fù)合焊和MIG焊沿焊接方向的撓曲變形

5 結(jié)束語(yǔ)

1）激光-MIG復(fù)合焊接接頭相對(duì)于MIG焊接接頭而言，焊縫的熔寬更窄，表面成形較好，熱輸入量較小。

2）MIG焊接接頭的熱影響區(qū)比激光-MIG復(fù)合焊接接頭的熱影響區(qū)大，在激光-MIG焊和MIG焊焊縫的熔合區(qū)均大部分分布的是等軸晶，并且從熔合區(qū)到熔合線，晶粒形貌由等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹?，晶粒尺寸增大?/p>

3）MIG焊接接頭和激光-MIG焊接接頭熱影響區(qū)顯微硬度均為最低，并且激光-MIG復(fù)合焊接接頭熔合區(qū)的硬度值比MIG焊接接頭大，這是由于激光-MIG復(fù)合焊接接頭冷卻速率高于MIG焊，導(dǎo)致熔合區(qū)晶粒比較細(xì)小。

4）MIG焊接和激光-MIG復(fù)合焊接的焊縫抗拉強(qiáng)度分別為228.7MPa和256MPa，激光-MIG焊接接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)基體的76.4%。

5）結(jié)合數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)量的方法，對(duì)兩種焊接方法的變形量進(jìn)行了對(duì)比，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果十分相近，并且激光-MIG復(fù)合焊比MIG焊變形量小。