單清群，劉賢軍，單　玫

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

激光熱源偏移對(duì)6mm A7N01鋁合金激光-MIG復(fù)合焊焊接頭的質(zhì)量影響

單清群，劉賢軍，單玫

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

針對(duì)鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接過程中的熱源偏移問題，采用激光-MIG復(fù)合焊對(duì)6 mm厚A7N01P-T4鋁合金進(jìn)行焊接，給定熱源對(duì)中偏移，并分析無對(duì)中偏移及有對(duì)中量偏移的焊接接頭宏觀成形、微觀組織、力學(xué)性能，以此研究熱源對(duì)中偏移對(duì)6 mm厚A7N01鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭的影響。研究結(jié)果表明，有熱源對(duì)中偏移的試板接頭內(nèi)部存在少量的氣孔缺陷，與無對(duì)中偏移試板相比，拉伸性能下降21 MPa。

A7N011P-T4鋁合金；激光-MIG復(fù)合焊；熱源對(duì)中偏移

0　前言

隨著我國(guó)高速鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛的輕量化已成為提高列車速度等級(jí)的關(guān)鍵措施，鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、擠壓成形性能好等優(yōu)點(diǎn)，符合輕量化設(shè)計(jì)的要求，現(xiàn)已成為高速列車車體的主要材料[1]。目前，MIG焊是鋁合金的主要焊接方法，其焊接工藝及自動(dòng)化水平已經(jīng)較為成熟，但MIG焊具有熔深淺、熱輸入量大的特點(diǎn)，這導(dǎo)致MIG焊焊接所開坡口尺寸大，焊后變形明顯，接頭力學(xué)性能下降顯著，這些問題在鋁合金厚板焊接方面尤為突出[2-3]。

激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)將激光焊接與MIG焊接的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，具有能量集中、熱輸入小等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，從理論上講適合對(duì)鋁合金厚板進(jìn)行焊接[7]。針對(duì)A7N01鋁合金，常用的焊接方法為MIG焊接，而該焊接方法存在焊接效率低、變形及殘余應(yīng)力大等缺點(diǎn)[8－9]。

相對(duì)于傳統(tǒng)MIG焊，激光-MIG復(fù)合焊結(jié)合了激光和電弧兩個(gè)獨(dú)立熱源各自的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有極大應(yīng)用前景的新型焊接方法。在該種焊接方法下，復(fù)合熱源對(duì)中位置會(huì)影響焊縫的熔化、融合效果，并導(dǎo)致焊接接頭質(zhì)量的大幅度下降。因此，研究熱源對(duì)中情況對(duì)焊接接頭性能的影響能對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用提供很好的參考[10]。

1　試驗(yàn)材料、焊接設(shè)備及測(cè)試方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為A7N01P-T4鋁合金，基礎(chǔ)狀態(tài)代號(hào)T4指的是材料經(jīng)固溶處理后自然時(shí)效至穩(wěn)定狀態(tài)。試驗(yàn)所用焊接試樣為板材，焊接試板的尺寸為300 mm×150 mm×15 mm。填充焊絲為ER5356焊絲，直徑1.6 mm。試驗(yàn)材料及填充焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

表1　A7N01鋁合金及ER5356焊絲化學(xué)成分％

1.2焊接設(shè)備

本試驗(yàn)采取MIG焊機(jī)及激光器共同搭建的激光-MIG復(fù)合焊焊接平臺(tái)。其中MIG焊接為KEMPPI KempArc-450脈沖焊機(jī)，焊機(jī)通過控制送絲速度確定焊接電壓及電流；試驗(yàn)用激光器為IPG公司的YLS-4000光纖激光器，光纖芯徑為200 μm，波長(zhǎng)為1.06 μm，聚焦透鏡的焦距310 mm，額定功率4 kW；焊接機(jī)器人為ABB公司的IRB2600型6軸機(jī)器人，臂長(zhǎng)1.65 m，最高負(fù)荷20 kg。

1.3試驗(yàn)方法

試板焊接后采用滲透探傷、射線探傷進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)探傷情況，沿垂直焊縫方向取金相試樣，水砂紙打磨后進(jìn)行拋光至無劃痕，在采用混合酸溶液（體積比HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶1.5∶2.5∶5）在室溫下進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為20～30 s。在Zeiss光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫金相組織形貌；采用WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)拉伸機(jī)，參照《GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》獲取試件的拉伸性能，設(shè)定拉伸速度為5 mm/min；同時(shí)，通過彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)接頭抵抗彎曲載荷的能力，檢查接頭塑性；參照《GB/T2653-2008焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》對(duì)試件進(jìn)行三點(diǎn)彎試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)機(jī)輥筒直徑為50 mm，試樣彎曲角α要求達(dá)到180°。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1焊前清理與準(zhǔn)備

本項(xiàng)目試驗(yàn)采用機(jī)械清理，先用砂紙片對(duì)表面進(jìn)行打磨來清理表面的氧化層，然后用棉花蘸取丙酮溶液對(duì)焊件表面進(jìn)行擦洗來確保清理后的表面光亮，無氧化物和油污，清洗范圍為被焊試件正反面距離焊縫中心25 mm內(nèi)的區(qū)域和試板側(cè)面。由于鋁合金的化學(xué)特性比較活潑，所以在清理后的4 h之內(nèi)應(yīng)完成焊接過程。

2.2焊接工藝參數(shù)

試驗(yàn)中，焊槍與激光器同軸，采用激光先導(dǎo)方式，激光與試板夾角80°，焊槍與試板夾角65°，保護(hù)氣體采用99.999％氬氣。焊接參數(shù)如表2所示。試板選用單邊35°坡口，留2 mm鈍邊，1.8 mm間隙，單Y坡口型式，如圖1所示。采用該種坡口設(shè)計(jì)，可選用的焊接速度快，所需要的填充金屬量較少，焊接變形較小，且能夠獲得需要的熔深尺寸，外觀成形優(yōu)良，焊縫形狀較優(yōu)。

表2　焊接工藝參數(shù)

圖1　坡口形式

2.3焊接接頭外觀形貌與無損探傷

在表2的焊接參數(shù)下，焊縫宏觀成形和焊縫截面如圖2、圖3所示。由圖2可知，正面焊縫魚鱗紋成型美觀，沒有咬邊、表面凹陷等缺陷，均可獲得成形良好的焊縫。對(duì)比圖3兩種接頭的焊縫截面可以看出，焊縫熔透存在一定的差異，對(duì)中0 mm偏移量時(shí)焊縫成形較優(yōu)，能夠獲得較大熔深；對(duì)中0.5 mm偏移量時(shí)，由于熱源對(duì)中位置偏移影響激光對(duì)焊縫熔池底部的攪拌作用，造成復(fù)合電弧難以深入熔池底部，導(dǎo)致焊縫熔深較小。

對(duì)中無偏移和對(duì)中0.5 mm偏移的兩種試板分別進(jìn)行滲透和射線探傷，結(jié)果如圖4、圖5所示。滲透探傷檢驗(yàn)表明，兩種接頭焊縫表面沒有微裂紋、表面氣孔等缺陷；射線探傷結(jié)果表明，對(duì)中0.5 mm時(shí)接頭內(nèi)部存在少量的氣孔缺陷，造成這種結(jié)果的原因是對(duì)中偏移量影響激光對(duì)焊縫熔池底部的攪拌作用，導(dǎo)致氣體溢出不良。

圖2　焊縫外觀形貌

圖3　焊縫截面形狀

圖4　焊縫滲透探傷結(jié)果

圖5　焊縫射線探傷結(jié)果

2.4焊接接頭顯微組織

兩種接頭的金相顯微組織如圖6、圖7所示。對(duì)中無偏移時(shí)，焊縫區(qū)組織為柱狀晶，晶粒生長(zhǎng)方向沿著熔池散熱方向，在焊接接頭靠近焊縫邊緣很窄的熔合區(qū)，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象不明顯，母材區(qū)均為沿軋制方向生長(zhǎng)的纖維組織。對(duì)中0.5 mm偏移量時(shí)，焊縫區(qū)組織為沿著散熱方向生長(zhǎng)的柱狀晶，在焊接接頭靠近焊縫邊緣很窄的熔合區(qū)，熱影響區(qū)晶粒存在一定的長(zhǎng)大現(xiàn)象，母材區(qū)均為沿軋制方向生長(zhǎng)的纖維組織。

圖6　對(duì)中無偏移接頭金相組織圖

圖7　對(duì)中0.5 mm偏移接頭金相組織

2.5接頭常規(guī)力學(xué)性能

接頭抗拉強(qiáng)度和彎曲性能結(jié)果如表3、表4所示，接頭拉伸結(jié)果顯示對(duì)中0.5 mm偏移量的接頭拉伸性能比無偏移小21 MPa，對(duì)比圖6可以看出，若是熱源存在偏移會(huì)導(dǎo)致電弧不能深入坡口間隙底部，影響焊縫的熔深，同時(shí)會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性產(chǎn)生氣孔缺陷，影響焊縫的拉伸性能。彎曲試驗(yàn)采用直徑為38 mm的壓頭，背彎效果如圖8所示，其結(jié)果表明對(duì)中接頭彎曲性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3　對(duì)中接頭焊態(tài)抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)

表4　對(duì)中接頭焊態(tài)彎曲性能結(jié)果

圖8　對(duì)中試板彎曲結(jié)果

3　結(jié)論

（1）激光-MIG復(fù)合焊存在熱源對(duì)中偏移時(shí)，接頭內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)少量的氣孔缺陷，造成這種結(jié)果的原因是熱源對(duì)中偏移影響激光對(duì)焊縫熔池底部的攪拌作用，使氣體逸出不良。

（2）激光-MIG復(fù)合焊存在熱源對(duì)中偏移時(shí)，接頭彎曲性能滿足要求，接頭拉伸性能下降。與無偏中比較，強(qiáng)度下降21 MPa。

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Influence of heat source central deviation on the quality of welded joint of 6 mm thickness A7N01 aluminum alloy by laser-MIG hybrid welding

SHANG Qingqun，LIU Xianjun，SHAN Mei
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

For the problems of heat source deviation in laser-MIG hybrid welding,the 6mm thickness A7N01P-T4 aluminum alloy is conducted by laser-MIG hybrid welding and the heat source central deviation is investigated.And the macroscopic shaping, microstructure and mechanical properties of welded joints with deviation and without deviation are analyzed to research the influence of heat source central deviation on the welded joint of Laser-MIG hybrid welding.The results show that a small quantity of blowhole defect exists inside the welded joint of test plate with heat source central deviation,and its tensile property decreases 21 MPa in contrast of the plate without heat source central deviation.

A7N01P-T4 aluminum alloy；laser-MIG hybrid welding；heat source central deviation

TG456.7

A

1001－2303（2016）05－0097-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.21

2016－02－12；

2016－03－10

單清群（1963—），男，山東青島人，工程師，學(xué)士，主要從事軌道車輛制造過程質(zhì)量檢測(cè)的研究工作。