盧 帥 晁艷普 張楚翔 岑 輝 曹福來 陳良斌

（①許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 許昌 461000；②中國電氣裝備許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

鋁合金焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、電力設(shè)備和高鐵裝備等領(lǐng)域，其在工業(yè)設(shè)備輕量化、高強(qiáng)度、耐腐蝕和高效節(jié)能中的作用和地位日益凸顯，從而對焊接的效率和質(zhì)量也提出了越來越高的要求[1-2]。傳統(tǒng)的電弧焊接方式由于熱輸入較大、效率低，且焊接過程飛濺大，會(huì)導(dǎo)致焊縫成形有大滴過渡、不連續(xù)的現(xiàn)象，焊后組織粗大、熱影響區(qū)寬，影響焊縫性能；激光焊接雖然焊接速度快能實(shí)現(xiàn)深熔焊，但是由于鋁合金對激光束有強(qiáng)烈的反射效應(yīng)，激光利用率較低，且激光焊在焊接深而窄的焊縫中往往存在較多氣孔缺陷，難以獲得良好的焊縫；將電弧焊與激光焊結(jié)合起來的激光電弧復(fù)合焊接充分利用兩種熱源的優(yōu)勢，避免了單一熱源焊接的缺陷，提高了焊接的加工效率，但電弧與激光聚焦光斑的相互位置對焊接過程穩(wěn)定性有一定影響[3-7]；而通過額外填加焊絲的激光-電弧復(fù)合填絲焊接，在不增加熱輸入的前提下，增加了焊縫的熔覆量，有效降低焊縫表面的粗糙度，焊絲的加入可以調(diào)節(jié)焊縫的成分及組織，有助于進(jìn)一步提高焊接接頭的穩(wěn)定性和可靠性。

目前，國內(nèi)外已有諸多學(xué)者針對鋁合金復(fù)合焊接技術(shù)進(jìn)行研究。Khoshroyan A等[8]研究了鋁合金Al6061-T6加筋板在激光-MIG焊接過程中的溫度分布、殘余應(yīng)力和變形。Narsimgachary D等[9]通過激光焊接工藝焊接了6061-T6鋁合金，并研究了溫度分布對接頭顯微組織和機(jī)械性能的影響。Zhang C等[10]使用5~6 kW的激光-電弧復(fù)合熱源焊接AA6082鋁合金，結(jié)果表明復(fù)合焊接與單獨(dú)激光或純電弧焊接的接頭相比具有優(yōu)勢，比如更低的孔隙率、晶粒細(xì)化等。王偉[11]、侯艷喜[12]和常云峰[13]等分別研究了焊接速率對6N01S-T5鋁合金、A7N01鋁合金和2A14鋁合金的激光-MIG復(fù)合焊接工藝與性能的影響，結(jié)果表明合理的工藝參數(shù)能夠有效提高焊縫成形質(zhì)量與組織性能。李飛[14]、喬俊楠[15]和楊大偉[16]等分別對5083鋁合金、A7N01鋁合金、6005A鋁合金進(jìn)行了激光-TIG復(fù)合焊接工藝的研究，并分析了接頭的組織性能。作為一種可熱處理合金，T651態(tài)6061鋁合金在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造中得到了廣泛的應(yīng)用，與其他高強(qiáng)度鋁合金相比，具有優(yōu)異的可焊性。然而，關(guān)于T651態(tài)6061鋁合金激光-TIG復(fù)合熱源填絲焊接的研究現(xiàn)階段鮮有報(bào)道，開展6061-T651鋁合金的復(fù)合填絲焊接工藝的研究具有重要意義。

為此，本文以5 mm厚6061-T651鋁合金為研究對象，開展填充焊絲的激光-TIG復(fù)合焊接工藝研究。眾所周知，影響復(fù)合焊接焊縫成形的工藝參數(shù)主要有激光功率P、焊接電流I、激光離焦量z、熱源間距Dla和焊接速度vs等，通過前期大量試驗(yàn)研究及綜合比較發(fā)現(xiàn)，電弧電流對焊接熱輸入起主要作用，對焊縫成形影響較大。因此，本文主要研究電弧電流對復(fù)合填絲焊接焊縫成形的影響，并與單TIG填絲焊接進(jìn)行對比，探究兩種焊接方式的焊縫成形特點(diǎn)，并對焊縫顯微組織及顯微硬度進(jìn)行檢測分析。通過工藝參數(shù)優(yōu)化，獲得良好的焊縫成型，為中厚板6061-T651鋁合金激光-TIG復(fù)合填絲焊接的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用平板堆焊，試驗(yàn)材料為6061-T651鋁合金板材，試驗(yàn)板材規(guī)格為 5 mm×100 mm×200 mm，填充焊絲為直徑1.2 mm的ER4043。表1所示為鋁合金母材與ER4043焊絲的主要化學(xué)成分。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要設(shè)備包括JK701H型Nd:YAG脈沖激光器、Dynasty200 DX型電弧焊機(jī)、CNC工作臺(tái)LMT-5040精密數(shù)控加工機(jī)床、HF-06B型自動(dòng)送絲機(jī)以及自行設(shè)計(jì)的焊接調(diào)節(jié)裝置和夾具等。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

表1 母材和ER4043焊絲化學(xué)成分 %

圖1 復(fù)合填絲焊接試驗(yàn)裝置示意圖

焊前對焊件表面進(jìn)行磨削處理，用丙酮清洗焊件，在10%氫氧化鈉溶液中浸洗（溫度50~60 ℃，時(shí)間3~5 min），再用去離子水沖洗1 min，用30%稀硝酸溶液進(jìn)行中和與光化處理，待表面出現(xiàn)金屬亮色后，用熱去離子水沖洗1 min，最后用干燥箱進(jìn)行干燥處理（溫度100~150 ℃）。實(shí)驗(yàn)中YAG脈沖激光器與TIG電弧焊機(jī)以旁軸形式復(fù)合，激光在前電弧在后，本試驗(yàn)選取激光功率為350 W，離焦量-1 mm，激光焦點(diǎn)在工件表面之下。試驗(yàn)時(shí)使工作臺(tái)移動(dòng)，焊槍與激光器固定不動(dòng)，保持激光束的光束偏角為5°，以防止光路傳輸系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，焊槍角度為50°，此時(shí)激光束與焊槍的夾角為45°。采用前送絲方式連續(xù)供給，送絲角度為20°，光絲間距 0.5 mm，送絲速度 600 mm/min。本試驗(yàn)中熱源間距為1.5 mm，焊接速度300 mm/min，鎢極高度1.5 mm，采用高純氬氣作為焊縫保護(hù)氣體，氬氣流量12 L/min。通過正交法多次試驗(yàn)后，本試驗(yàn)最終篩選電弧電流 120 A、130 A、140 A 和 150 A 這4組參數(shù)進(jìn)行焊縫特征對比分析。

焊接完成后，沿垂直焊縫方向截取試樣，對焊接接頭截面逐次使用240#、400#和600#砂紙進(jìn)行逐級(jí)磨光，然后把試樣浸入30%的氫氧化鈉溶液中進(jìn)行宏觀腐蝕（時(shí)間1 min），出現(xiàn)焊縫輪廓后使用數(shù)碼相機(jī)和圖像測量軟件對焊縫橫截面的熔寬、熔深和余高等參數(shù)進(jìn)行拍攝測量。用Keller試劑對試樣橫截面進(jìn)行腐蝕（配比為 1 mL HF+1.5 mL HCL+2.5 mL HNO3+95 mL H2O，腐蝕時(shí)間 25 s），使用Olympus MX40F型金相顯微鏡對焊縫顯微組織進(jìn)行觀察分析。使用HXD-1000TM型數(shù)字式顯微硬度計(jì)對焊縫顯微硬度進(jìn)行檢測，選擇25 g加載力，加載時(shí)間為15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電弧電流對焊縫形貌特征的影響

電弧電流的變化直接決定焊接的熱輸入，進(jìn)而改變電弧和激光兩熱源間的耦合作用。表2表示單TIG填絲與復(fù)合填絲兩種焊接方式下電弧電流對焊縫成形的影響，圖2和圖3為隨電弧電流變化，兩種焊接方式下的焊縫熔深、熔寬和余高變化曲線。

從表2中可以看出，在電弧電流為120 A時(shí)，單電弧填絲焊接會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)、大滴過渡的現(xiàn)象，激光加入后電弧穩(wěn)定性增強(qiáng)，對單電弧填絲焊接出現(xiàn)的成型缺陷有明顯改善。實(shí)驗(yàn)過程中，復(fù)合填絲焊接成形過程穩(wěn)定，焊縫成形過程的不連續(xù)和大滴過渡現(xiàn)象基本消失。當(dāng)電弧電流增加至140 A時(shí)，復(fù)合填絲焊接焊縫表面即有均勻的魚鱗狀波紋，當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)，魚鱗紋形貌也更加明顯，焊縫呈復(fù)合深熔焊形貌。

表2 電弧電流對焊縫成形的影響

分析認(rèn)為，當(dāng)焊接熱輸入較小時(shí)，電弧燃燒不充分，單電弧填絲焊接熱量不夠集中，鋁合金表面不能充分熔化，導(dǎo)致焊接成型過程不穩(wěn)定，出現(xiàn)未熔合的現(xiàn)象。加入激光后，由于激光與電弧的耦合作用，使電弧能量密度增大，焊接表面受熱升溫，體積發(fā)生膨脹，而由于周圍較冷區(qū)域基體的阻礙，使焊接區(qū)域形成壓應(yīng)力，造成被焊鋁合金板材發(fā)生輕微的向下彎曲變形；另外，隨復(fù)合熱源能量增大，鋁合金板材的屈服極限隨溫度升高而下降，當(dāng)電弧電流增加至140 A時(shí)，其屈服極限小于焊縫周圍的壓應(yīng)力數(shù)值，造成熔池表面材料發(fā)生屈服變形，并產(chǎn)生堆積變形。在復(fù)合熱源逐漸移動(dòng)到下一焊接區(qū)域后，先前發(fā)生堆積的區(qū)域溫度迅速下降，經(jīng)過冷凝后的表面保持了原有的彎曲堆積形貌，從而呈現(xiàn)出典型的魚鱗紋形貌。

從圖2中可以看出，隨著電弧電流的增加，兩種焊接方式下焊縫的熔深和熔寬都呈增加趨勢，并且復(fù)合填絲焊接的增加幅度更快，復(fù)合填絲焊接焊縫的熔深和熔寬都要大于單TIG填絲焊接；從圖3中可以看出，兩種焊接方式下的焊縫余高均隨電弧電流增加呈逐漸減小趨勢，同一參數(shù)下，復(fù)合填絲焊接余高更小。此外，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電弧電流增加至170 A以后，復(fù)合填絲焊的熔深趨于穩(wěn)定，變化幅度降低。

圖2 熔深、熔寬的變化曲線

圖3 余高的變化曲線

分析認(rèn)為，電弧和激光的能量匹配共同決定了熔池的深度和寬度，電弧電流的變化不僅直接影響熱源能量的輸入，還影響電弧與激光兩熱源之間的復(fù)合作用。電弧的預(yù)熱有利于增加激光能量的利用率，電弧等離子體和光致等離子體的協(xié)同作用使得復(fù)合填絲焊接焊縫的熔深和熔寬增加。但當(dāng)電流增大到一定程度時(shí)，隨著熱輸入持續(xù)增加，會(huì)造成電弧等離子體過度膨脹，進(jìn)而影響激光能量的吸收，使兩熱源的復(fù)合效果削弱。另外，焊絲熔化后熔池液面的高低會(huì)改變激光的實(shí)際離焦量大小，進(jìn)而影響作用于工件表面的激光功率密度。當(dāng)電弧電流較小時(shí)，熱輸入能量較小，焊絲熔化后鋪展性不強(qiáng)，造成熔池液面增高，使激光的實(shí)際作用功率密度下降，焊縫熔深較小；當(dāng)電弧電流較大時(shí)，熱輸入較大，焊絲熔化后鋪展均勻，使熔池液面降低，激光的實(shí)際作用功率密度增大，焊縫熔深較大。

結(jié)合以上試驗(yàn)及分析，當(dāng)電弧電流I=140 A時(shí)，焊接過程穩(wěn)定，復(fù)合填絲焊接所獲得的焊縫成型較好。綜合考慮大電流的經(jīng)濟(jì)性及焊縫成形的穩(wěn)定性，本文以電弧電流I=140 A作為優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊縫微觀組織特征性能分析。

2.2 焊縫顯微組織

6061-T651鋁合金以Mg2Si為強(qiáng)化相，其基材組織為完全再結(jié)晶組織。圖4為單獨(dú)TIG填絲焊接與復(fù)合填絲焊接焊縫中心及熔合區(qū)微觀組織。

圖4 TIG填絲焊接與復(fù)合填絲焊接焊縫中心及熔合區(qū)微觀組織

從圖4a、c可以看出，兩種焊接方式下的焊縫中心都主要由網(wǎng)狀等軸晶組成，與單TIG填絲焊接相比，復(fù)合填絲焊接內(nèi)部有大量析出相，晶粒尺寸有長大趨勢。分析認(rèn)為，熔池中心區(qū)域的溫度梯度較小，成分過冷區(qū)域?qū)?，熔池中存在未熔化的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)，從而為結(jié)晶提供形核表面，使得中心區(qū)域自由生長為等軸晶。另外，兩種焊接方式的焊縫受熱及冷卻條件存在差異，加入激光后，復(fù)合焊接熱輸入變大，熔池溫度梯度增大，冷卻速度變慢，導(dǎo)致等軸晶晶粒尺寸變大。

TIG填絲焊接焊縫熔合區(qū)組織主要由細(xì)長的柱狀晶與胞狀晶組成，柱狀晶沿散熱方向排列，具有較強(qiáng)的方向性，基本垂直于熔合線方向生長，如圖4b示。分析認(rèn)為，在晶粒逐漸長大的過程中，隨著溶質(zhì)濃度升高，導(dǎo)致結(jié)晶速率逐漸變大，而熔池邊緣界面的溫度梯度較大，會(huì)形成較小的成分過冷，使結(jié)晶界面形成束狀芽孢，并伸入到過冷的液相界面中，形成胞狀亞晶；焊縫邊緣受母材的冷卻作用使得垂直于熔合線具有最大的溫度梯度，當(dāng)晶粒生長方向與最大溫度梯度方向一致時(shí)，有利于晶粒優(yōu)先形成柱狀晶。

復(fù)合填絲焊接熔合區(qū)組織由大量枝狀晶組成，胞狀晶數(shù)量減少，如圖4d所示。枝狀晶基本垂直于熔池壁方向分布，并向中心生長的粗大帶狀組織，晶間較多分布連續(xù)的網(wǎng)狀低熔點(diǎn)共晶物。分析認(rèn)為，激光加入后，熱源分布以及熔池大小的變化使溫度梯度增大，大量溶質(zhì)元素向熔池中心聚集，導(dǎo)致熔池成分過冷度增加，使得柱狀晶生長受到抑制，促進(jìn)柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹罹В捎谂c焊接邊界熔池壁垂直的方向具有最大的溫度梯度，使枝狀晶向更有利于散熱的垂直于熔池壁方向成長分布[15]。

2.3 焊縫顯微硬度

硬度是金屬材料的一項(xiàng)重要力學(xué)性能指標(biāo)，與強(qiáng)度及塑性均有一定關(guān)系，也能側(cè)面反映焊縫顯微組織的變化。分別對單TIG填絲焊接與激光-TIG復(fù)合填絲焊接兩種方式下的焊縫顯微硬度進(jìn)行測量，測量位置為板材表面下橫向0.6 mm處，以焊縫中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，加載間距為0.4 mm。兩種焊接方式下的焊縫測試點(diǎn)顯微硬度分布如圖5所示。

圖5 焊縫硬度變化曲線

從整個(gè)焊縫的硬度分布來看，復(fù)合填絲焊接顯微硬度要高于單獨(dú)TIG填絲焊接；兩種焊接方式下焊縫中心區(qū)域的硬度均為最低，在熔合線附近硬度陡然增大，至熔合線以后又呈波浪式下降趨勢。焊縫區(qū)均存在軟化現(xiàn)象，在選擇的測試點(diǎn)范圍內(nèi)，經(jīng)測算，單獨(dú)TIG填絲焊接焊縫中心顯微硬度平均值為59.16 HV，約為母材硬度的54.8%；復(fù)合填絲焊接焊縫中心的平均硬度為66.91 HV，約為母材硬度的62.0%，比單獨(dú)TIG填絲焊接顯微硬度提高約13.1%。分析認(rèn)為，焊縫區(qū)的軟化現(xiàn)象主要是由于焊接熱循環(huán)的作用下造成強(qiáng)化相顆粒發(fā)生燒損、變異，通過觀察焊縫中心的顯微組織發(fā)現(xiàn)主要強(qiáng)化相元素Mg2Si基本消失，導(dǎo)致焊縫中心軟化。此外，激光的加入促進(jìn)了電弧收縮，使電弧能量密度增大，同時(shí)激光束對焊接熔池的攪拌作用，有利于凝固組織的晶粒生長更均勻，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能力增強(qiáng)，增大了抵抗局部塑形變形的能力，導(dǎo)致復(fù)合焊接焊縫中心顯微硬度增加。

3 結(jié)語

（1）得到了5 mm厚6061-T651鋁合金進(jìn)行激光-TIG復(fù)合熱源填絲焊接的一組優(yōu)化工藝參數(shù)：電弧電流140 A，激光功率350 W，熱源間距1.5 mm，送絲速度 600 mm/min，焊接速度 300 mm/min，激光離焦量-1 mm。與單TIG填絲焊相比，復(fù)合填絲焊焊縫成形更加穩(wěn)定，焊縫表面的魚鱗紋形貌更加均勻，能獲得更優(yōu)的焊縫成型。

（2）復(fù)合填絲焊接焊縫中心區(qū)域的顯微組織為等軸晶，熔合區(qū)組織由大量枝狀晶組成，與單獨(dú)TIG填絲焊接相比，復(fù)合填絲焊接焊縫中心晶粒尺寸有長大趨勢。復(fù)合填絲焊接顯微硬度要高于單獨(dú)TIG填絲焊接，在選擇的測試點(diǎn)范圍內(nèi)，復(fù)合填絲焊接焊縫中心的平均硬度為66.91 HV，約為母材硬度的62.0%，比單獨(dú)TIG填絲焊接顯微硬度提高約13.1%。焊縫區(qū)均存在軟化現(xiàn)象，分析認(rèn)為焊接熱循環(huán)導(dǎo)致強(qiáng)化相消失是焊縫區(qū)軟化的主要原因。