周金旭,賈永強,李強,張威,林相遠
遼寧忠旺集團有限公司 遼寧陽 111003
鋁合金因其密度低、比強度高、焊接性能良好及回收利用率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道車輛、汽車制造等領(lǐng)域[1],但是在TIG、MIG焊接鋁合金過程中會產(chǎn)生較大的焊接變形和接頭軟化問題,大大降低了焊接結(jié)構(gòu)的精度及質(zhì)量。激光焊接與傳統(tǒng)TIG、MIG焊相比能量更為集中,具有更低的熱輸入及變形,因此鋁合金激光焊接受到廣泛關(guān)注。激光填絲焊是在激光焊基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,其優(yōu)點是對裝配間隙容忍度更高,同時可以改善焊縫的合金成分,提高焊接質(zhì)量[2]。本文針對1.5mm厚6061鋁合金型材進行激光填絲焊,研究了焊接參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響,并對接頭進行了拉伸、硬度測試,分析了接頭不同位置的微觀組織。
試驗?zāi)覆臑?061鋁合金型材,T6態(tài),型材截面如圖1a所示,試板尺寸為300mm×150mm×2mm。填充材料為E R4047焊絲、φ1.2m m。保護氣體為A r,純度>99.99%,母材和焊絲化學(xué)成分見表1,母材平均抗拉強度為312MPa,屈服強度為276.5MPa,斷后伸長率為11.34%。
焊接采用了TRUDISK8002激光器,激光通過φ200μm的光纖進行傳輸,KUKAKR90工業(yè)機器人作為機械傳動系統(tǒng)及Fronius VR7000送絲機構(gòu),焊縫采用對接不開坡口,焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等,用氣動鋼絲刷打磨焊縫及其兩側(cè)25mm區(qū)域內(nèi)氧化膜至露出金屬光澤,并用酒精對待焊部位進行清理。焊接過程如圖1b所示。
圖1 型材截面及焊接過程
表1 6061鋁合金和ER4047焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)
激光填絲焊接過程中涉及的主要焊接參數(shù)有離焦量、焊接速度、送絲速度與激光功率等。本試驗過程中離焦量為0、焊接速度為3m/min等參數(shù)保持不變,研究了激光功率、送絲速度、激光入射角度對焊縫成形的影響[3]。
(1)激光功率對焊縫成形的影響 隨著激光功率的變化,焊縫熔深、熔寬及余高發(fā)生了明顯變化,圖2所示為不同激光功率焊接下的焊縫外觀及截面形貌[4],激光入射角90°,送絲速度3.5m/min。從焊縫外觀及截面形貌可知,當(dāng)激光功率由4kW增加到5.5kW時,焊縫余高逐漸減小,熔深增加,背部熔透增大,熔寬增大。當(dāng)激光功率過大時將引起焊縫塌陷[5]。激光功率的增加直接加大了焊接熱輸入,適當(dāng)?shù)暮附訜彷斎肟梢允固畛浣饘倥c熔池鋪展開,增加了熔寬及熔深,減小了焊縫余高,因此合適的激光功率將會得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。
(2)送絲速度對焊縫成形的影響 圖3為不同送絲速度下焊縫外觀及截面形貌[6],送絲速度分別為3.5m/min、4.5m/min、5.5m/min,激光功率3.5kW,激光入射角90°。從圖3中明顯可以看出,當(dāng)送絲速度增加時焊縫熔深減小,當(dāng)焊接接頭處在熔透的臨界狀態(tài)時送絲速度的增加將導(dǎo)致接頭熔深減小,原因是冷絲的加入需要熔化的熱量大于吸收的熱量,熔池單位體積熱量減少,將會引起焊縫未熔透,不能實現(xiàn)單面焊雙面成形。
圖2 不同激光功率焊縫外觀及截面形貌
(3)激光入射角對焊縫成形的影響 在鋁合金型材焊接過程中,激光入射角對焊縫質(zhì)量有很大影響,圖4為不同激光入射角焊接,功率4kW,送絲速度3.5m/min,焊接入射角分別為60°、90°、120°,圖5為不同入射角焊縫外觀及截面形貌。從圖5a可以看出,當(dāng)激光束入射角為60°時焊縫熔深更大,更容易被焊透,原因是入射角為60°時激光束對型材薄板側(cè)作用更大,激光束可以直接將薄板一側(cè)焊透形成匙孔,且匙孔更為穩(wěn)定。當(dāng)光束入射角為120°時,激光束更直接地作用于立筋厚板處,吸收了更多能量,焊接接頭實現(xiàn)單面焊雙面成形相對困難,立筋熔深更大,同時激光功率過大將導(dǎo)致立筋處焊穿(見圖5f)。當(dāng)激光入射角為90°時焊縫成形較好(見圖5d),實現(xiàn)了單面焊雙面成形。
圖4 激光束不同入射角度焊接
圖5 不同激光入射角焊縫外觀及截面形貌
當(dāng)激光功率為4.0kW、送絲速度為3.5m/min、焊接入射角為90°時,焊縫成形良好,對焊接接頭進行力學(xué)性能試驗。根據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行拉伸試樣的制備,焊后使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗機對焊接接頭進行橫向拉伸破壞性試驗,結(jié)果見表2。拉伸斷裂試樣如圖6所示,焊接接頭的平均抗拉強度為276MPa,試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)[7],焊接接頭的抗拉強度達到母材抗拉強度的88%[8]。
表2 拉伸試驗結(jié)果
圖6 焊接接頭拉伸斷裂試樣
使用FV-810 型維氏顯微硬度計沿焊接接頭中心進行硬度測試,測試點間距0.5mm,測試點從母材一側(cè)經(jīng)過熱影響區(qū)、焊縫區(qū)至焊縫另一側(cè)母材[9]。對焊接接頭進行硬度分析發(fā)現(xiàn),焊接接頭硬度最低處出現(xiàn)在接頭熱影響區(qū),硬度值為68.2HV,熱影響區(qū)硬度在68~95HV之間,這與拉伸斷裂位置一致,說明熱影響區(qū)存在軟化,從硬度分布(見圖7)可以發(fā)現(xiàn),單側(cè)熱影響區(qū)寬度為4~5mm。
使用蔡司M2m光學(xué)顯微鏡對焊接接頭不同位置進行金相觀察,圖8a為母材金相組織,從中可以看出母材組織較為粗大。圖8b、圖8c分別為熔合線及焊縫組織,分析發(fā)現(xiàn)焊縫組織為細小的樹枝晶,熔合線靠近焊縫一側(cè)為粗大的柱狀晶,由熱影響區(qū)一側(cè)向焊縫中心伸展,靠近熱影響區(qū)側(cè)則存在細小的等軸晶,原因是靠近熱影響區(qū)側(cè)母材與填充材料成分不同,熔化過程中發(fā)生冶金反應(yīng),化學(xué)成分發(fā)生改變,過冷度更大,形核質(zhì)點增加,形核速度更快,晶粒更為細小。
圖8 焊接接頭顯微組織
1)增大激光功率后,焊縫熔深隨之增加,余高減小,背部熔透較大,過大的激光功率將導(dǎo)致焊縫塌陷。當(dāng)焊接接頭處在熔透的臨界狀態(tài)時,送絲速度的增加將導(dǎo)致接頭未焊透。激光入射角在鋁合金型材焊接過程中對焊縫質(zhì)量有一定影響,入射角為90°時接頭質(zhì)量較高。
2)試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū),平均抗拉強度達到276MPa,達到母材抗拉強度的88%。
3)從金相組織可以看出,母材組織較為粗大,焊縫組織為細小的樹枝晶,熔合線靠近母材一側(cè)為粗大的柱狀樹枝晶,靠近熱影響區(qū)存在細小的等軸晶。
4)焊接接頭硬度最低處出現(xiàn)在接頭熱影響區(qū),硬度值為68.2HV,單側(cè)熱影響區(qū)寬度為4~5mm。