激光复合焊接

1高强铝合金激光辅助TIG电弧复合焊接工艺及接头性能冉国伟1，王波2，薛国玉3（1.农业部规划设计研究院,北京1001252.扬州工业职业技术学院，江苏扬州2251273.潍坊东方钢管有限公司,山东潍坊261011）摘要：采用填丝TIG电弧焊、激光辅助TIG电弧复合焊两种焊接工艺进行了2014铝合金焊接试验，研究了焊接工艺与接头组织和性能的相关性。试验结果表明：与填丝TIG焊相比，激光辅助TIG电弧复合焊可以显著降低TIG电弧功率，减少热输入，细化焊缝组织，减少晶界共晶组织宽度，可有效减少甚至消除焊缝熔合区气孔缺陷，其焊接接头的力学性能，接头强度和塑性均得到增强。断口的SEM形态显示：2014铝合金激光辅助TIG电弧复合焊接头断口有大量韧窝存在，呈韧性断裂。关键词：激光；复合焊接；高强铝合金中图分类号：TG444Weldingprocessandjointpropertiesoflaser-assistedTIGarcweldingonthehighstrengthaluminumalloyRanGuo-wei1,WangBo2,XueGuo-yu3(1.ChineseAcademyofAgriculturalEngineering,Beijing100125,China2.YangzhouInstituteofIndustryTechnology,Yangzhou225127,China；3.WeifangEastSteelPipeCo.Ltd,Weifang261011,China)Abstract:Thecorrelationbetweentheweldingprocessesandjointmicrostructureaswellaspropertiescanbeinvestigatedon2014aluminumalloyof6mmthickness,throughtwoweldingprocessesexperiments,suchasTIGweldingwithfillerwire,low-powerlaserassistedTIGhybridwelding.TheresultsshowthatcomparedwiththeTIGweldingwithfillerwire,thelow-powerlaser-assistedTIGhybridweldingprocessescansignificantlyreducetheTIGarcpower,reducetheheatinput,refinethemicrostructureofthejoint,andreducethewidthofEutecticα(Al)+θ(CuAl2).Theporositiesoffusionzonecanalsobeeliminatedeffectively.Themechanicalproperties,strengthandductilityofweldedjointsarebothenhanced.Whatismore,thescanningelectronmicroscope(SEM)fracturemorphologyshowsthattherearealargenumberofdimplesonthetensilefractureandthemodeistheductilefractureforthe2014aluminumalloy.Keywords:laser;hybridwelding;highstrengthaluminumalloy0前言高强铝合金质量轻、加工性好、耐腐蚀性好、比强度高、比刚度高，在各工业部门特别是在航空、航天、新型汽车、高铁、国防及兵器工业上获得越来越多的应用[1-2]。对于高强铝合金材料，目前工业上普遍采用填丝TIG氩弧焊工艺，在焊接生产中易产生气孔、裂纹等缺陷，接头强度和焊接效率也较低。因此需要探索新的焊接工艺，减少焊接过程产生的缺陷，提升焊接接头的力学性能[3-4]。激光－电弧复合焊接技术是英国伦敦帝国大学学者W.Steen在20世纪70年代末期首次提出的[5]，根据激光、电弧能量配比和热源主导地位的不同，通常将激光－电弧复合焊接分为两类。一类为电弧辅助激光焊，即通常意义上的激光－电弧复合焊接方式。在这种方式中，激光占据主导地位。另一类为激光辅助电弧焊，在这种方式中，电弧能量占据主要地位，一般采用不足以形成深熔“小孔”的小功率激光辅助电弧进行焊接[6-8]。2001年美国的C.E.ALBRIGHT等人首先对这种低功率激光辅助电弧焊接方法进行了研究。研究发现能量很低的激光束就能够引燃、引导和压缩电弧[9]。近年来，高强铝合金的激光—TIG电弧复合焊接工艺试验表明：与填丝TIG电弧焊相比，激光—TIG电弧复合焊可以显著提高焊接速度，减少热输入，细化焊缝组织，减少晶界共晶组织宽度，减小熔合区和热影响区的宽度，但由于温度梯度大，熔池冷却时间快，焊缝区晶粒与方位不均匀，焊接接头中易出现微气孔，致使焊接接头的力学性能和抗应力腐蚀性能均偏低[10]。基于以上背景，本文建立了一套小功率激光辅助TIG电弧复合焊接试验2系统。以高强铝合金为试验材料分别进行了填丝TIG电弧焊和激光辅助TIG电弧复合焊的对接焊试验，焊接过程中实时监测电流、电压波形，焊后对两种焊接工艺的接头表面形貌、接头微观组织、力学性能进行了测试分析，探讨了高强铝合金焊接接头组织、性能与焊接工艺之间的相关性。1试验设备与方法1.1试验设备激光辅助TIG电弧复合焊接试验系统如图1所示，系统采用北京工业大学激光工程研究院研制的1kW半导体激光器和EWM的TETRIX521交直流TIG电焊机搭建而成。试验中激光的离焦量为0mm，激光输出功率为500W，激光束与水平面夹角75°，钨极距离工件4mm,距离激光束4mm，焊枪与水平面夹角60°。焊接过程采用美国Tektronix公司生产的TDS3052B数字式示波器对焊接电流、电压信号进行同步采集。图1激光辅助TIG电弧焊接示意图1.2试验方法试验所用的高强铝合金为2014铝合金，焊接试件的尺寸为300mm×150mm，厚度为6mm，考虑到开坡口可以有效的引导焊丝进入熔池，因此对试件开坡口，坡口采用如图2所示的Y形坡口，留钝边约为3mm。焊缝填充焊丝选用的是Φ1.6mm的BJ380A焊丝。合金含量高于母材的焊丝作为填充材料，通常可以防止焊缝产生裂纹。2014铝合金及焊丝的化学成分见表1、表2。45º36图2坡口尺寸图表12014铝合金化学成分Wt%(Al－余量)表2BJ380A焊丝化学成分Wt%焊前对焊接试件和填充焊丝采用钢丝刷清洁表面，去除氧化膜。填丝TIG电弧焊保护气体为氩气，流量为12L/min。采用电流波形如图3所示的特殊交流（脉冲峰值阶段为直流，脉冲基值阶段为方波交流）TIG电弧进行焊接，有利于减少热输入和去除焊接过程中的氧化膜[10]。激光辅助TIG电弧复合焊接试验采用500W激光与TIG电弧复合后对试件进行焊接，其余焊接参数与填丝TIG焊接参数完全相同，表3为填丝TIG电弧焊接工艺参数。图3特殊交流波形焊接完成后，将试样沿横截面剖开，经过标准的金相制备工序制成试样进行观测，采用OLYMPUS激光共聚焦扫描显微镜进行微观组织的观察分析。接头拉伸试验是在TH-8110S伺服式电子万能试验机上进行的，加载速率为0.1m/min，最大载荷为100KN。拉伸试验有关规定按GB/T2654-2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》标准进行。CuMnMgSiFeTiZrV4.20.80.50.750.70.15——SiFeCuMnTiAl4.70.302.3≤0.050.25余量3表3TIG电弧焊接工艺参数焊接速度v（m/min）0.2氩气流量Q(L/min)12脉冲峰值时间t(s)0.3脉冲峰值电流I峰/A350脉冲基值时间t(s)0.2脉冲基值EN段电流IEN/A240脉冲基值EP段电流IEP/A170脉冲基值交流频率f/Hz502试验结果2.1TIG电弧功率的对比填丝TIG电弧焊和激光辅助TIG电弧复合焊焊接过程均进行了电流和电压信号的采集，发现两种焊接工艺中TIG电弧的脉冲峰值电流和脉冲基值电流都维持在同一数值。而电压却有了较大变化。激光辅助TIG电弧复合焊TIG电弧两极间的电压出现了明显的下降特征，在脉冲峰值阶段电压从14V左右降低到了8V左右，在脉冲基值阶段的EN时段电压从12V降低到5V左右，在EP时段电压没有明显的变化，为17V左右。从填丝TIG电弧焊TIG电弧功率图（图4）和激光辅助TIG电弧复合焊TIG电弧图（图5）可以看出：相对于填丝TIG电弧焊，激光辅助TIG电弧复合焊的TIG电弧的功率—时间图有较大变化，脉冲峰值阶段电弧的功率从4.9kW下降到了2.8kW，脉冲基值阶段的EN时段电弧的功率从2.9kW下降到了1.2kW左右，在脉冲基值阶段的EP时段电弧功率维持不变，为2.9kW。图4TIG电弧功率图图5激光辅助TIG电弧功率图2.2焊缝成形比较激光辅助TIG电弧复合焊焊缝表面形貌如图6所示，焊缝表面光亮、白净、熔透均匀，未见明显的表面缺陷，而且有美观的“鱼鳞纹”出现，“鱼鳞纹”较均匀说明焊接过程十分稳定，经过X射线探伤，未发现较大气孔、夹杂现象。与填丝TIG电弧焊接工艺相比，焊缝的正面熔宽有所降低，而且“鱼鳞纹”更均匀平整，这主要是由于电弧功率的改变造成的，激光加入电弧后，电弧的功率在脉冲峰值阶段下降了2.1kW,虽然脉冲基值阶段的EN时段也下降了1.7kW,但是在脉冲基值的EP时段，电弧的功率并没有减少，由于EP时段不光有清理氧化膜的作用，而且也有向熔池输送热量的作用，其热量的输入并不亚于EN时段，所以造成了脉冲峰值阶段和脉冲基值阶段热输入量差值减小，反映在焊缝形貌上就是激光辅助TIG电弧复合焊焊缝的熔宽变小，鱼鳞纹均匀平整。（a)填丝TIG电弧焊（b)激光辅助TIG电弧复合焊图6两种焊接工艺焊缝表面形貌图2.3接头微观特征分析如图7所示，2014高强铝合金两种焊接工艺所得的焊接接头焊缝中心区的晶体形态均为等轴晶，以α(Al)为基体,大量θ相(CuAl2)脱溶析出聚集在晶4界附近。填丝TIG电弧焊的焊缝中心组织晶粒比较粗大，晶界共晶相的宽度大，晶内溶质元素含量相对较少。激光辅助TIG复合焊焊缝中心区组织晶粒比TIG焊晶粒细小，而且晶界共晶相的宽度明显减少，晶内溶质元素含量明显变大。这主要是不同焊接工艺的热输入量不同造成的，根据焊缝中溶质元素的偏析公式[11]0100(1)KSCKCg式中：SC为溶质元素在凝固物中的含量，0K为Cu元素的平衡分配系数，0C为合金的起始溶质元素含量，g为已凝固金属所占的百分比。在焊接过程中，溶质元素的含量是随着过冷度的增加而提高的。激光辅助TIG电弧焊热输入少，熔池金属高温停留时间较短，冷却速度大，枝晶前沿的过冷度大，液态物质中的溶质元素含量0C较高，因此与TIG焊相比,复合焊等轴晶基体中的溶质元素含量较高，晶界中的共晶相宽度较低。(a)填丝TIG电弧焊焊缝中心区（b）激光辅助TIG电弧焊焊缝中心区图7焊缝中心区微观组织图图8为焊缝熔合区微观组织特征，可以看出熔合区内的组织形态是不均匀的，填丝TIG电弧焊和激光辅助TIG电弧复合焊两种工艺熔合区微观组织为柱状树枝晶和胞状晶，填丝TIG焊接焊缝熔合区出现了结晶层气孔，尺寸在50～100μm之间，激光辅助TIG电弧复合焊的焊缝熔合区未发现明显的气孔。据此可以推断，采用这种复合热源焊接工艺可有效减少甚至消除焊缝气孔缺陷。在单独TIG焊接时，电弧主要是依靠低频调制脉冲的振动来排出气孔，熔池边缘的气孔由于得不到充分振动而难以排出，在加入激光能量后，电弧的挺度增强，冲击力变大，熔池内的液体金属产生有规则的循环流动，将熔池边缘的气孔带出，有效的促进熔池边缘的气孔逸出[10]．(a)填丝TIG电弧焊焊缝熔合区（b）激光辅助TIG电弧焊焊缝熔合区图8焊缝熔合区微观组织图2.4接头的拉伸力学性能