好文推荐 | 中厚板铝合金激光-MIG复合焊接工艺及组织性能

引    言

随着我国轨道客车运行速度的持续提升，车体轻量化已然成为轨道客车的重要发展方向^［1］。铝合金具有密度低、比强度高、耐蚀性优和成形性好等特点，在实现轻量化制造方面具有明显的优势，被广泛应用于轨道客车车体制造领域^［2-3］。

传统的熔化极气体保护焊（MIG焊）因其设备成本低、作业方式灵活和工程适应性强等技术优势，是现阶段轨道客车铝合金车体制造最常用的焊接方法。但是，鉴于MIG焊的热源特点和铝合金的理化性质，铝合金MIG焊面临着热输入大、焊接速度低、焊接变形及残余应力大、接头力学性能低的问题，，难以满足高速列车对车体轻量化、高精度、高可靠性等方面的需求^［4-5］。

激光-MIG复合焊兼有激光焊和电弧焊的工艺优点，利用激光的高能量密度和MIG焊的电弧稳定特性，实现高效、低热输入的焊接过程^［6-10］。在当前轨道客车铝合金车体制造领域，激光-MIG复合焊大多应用于薄壁铝型材构件的焊接^［8-10］，随着轨道客车轻量化的发展需求，中厚板铝合金在轨道客车制造领域的应用需求逐渐凸显。但是，由于铝合金的高反射率，激光-MIG复合焊的单道熔透能力受到限制，中厚板铝合金需要采用开坡口工艺来提升其熔透能力，且坡口形式及尺寸是影响焊缝成形质量的重要因素。Zhao等人^［11］的研究结果表明针对6.9 mm厚铝合金激光-MIG复合焊接，采用Y形坡口有利于获得无气孔缺陷的焊缝；Wang^［12］、Huang等人^［13］的研究则指出，较大的钝边高度有助于提高成形质量，并且坡口角度也显著影响接头的力学性能。因此，坡口形式及尺寸成为影响中厚板铝合金激光-MIG复合焊焊缝成形质量及接头力学性能的关键因素^［14-15］。

文中以8mm厚的6005A-T6铝合金为试验材料，分别采用I形坡口和Y形坡口进行激光-MIG复合焊接试验。通过对比研究不同坡口形式接头的焊缝成形、组织特征、硬度分布和拉伸性能，分析坡口形式对接头性能的影响机制，为激光-MIG复合焊接铝合金车体制造提供理论依据和技术支持。

试验材料及方法

试验母材选用8mm厚6005A-T6铝合金，尺寸为300mm×150mm×8mm，坡口形式为I形坡口和Y形坡口，组对间隙为0mm，其中Y形坡口钝边高度为6mm、坡口角度30°，坡口形式如图1所示，背部采用成形槽强制成形以防止背部余高过大。填充材料选用直径1.2mm的ER5356铝合金焊丝；试验母材及填充焊丝的化学成分如表1所示。焊前采用机械打磨方式去除铝合金母材表面的氧化膜，然后丙酮擦拭去除铝合金母材表面的油污。

本文采用的接头形式为对接，成形方式为单层单道。试验采用TRUMPF TruDisk 16003碟片激光器，波长1.06μm；MIG电源选用FRONIUS TPS 5000焊机，焊机具备电弧电流、电弧电压和送丝速度的一元化调节功能。焊接方式为机器人焊接，沿焊接方向工作头以设定速度移动而工件静止，热源耦合方式为激光在前、电弧在后，激光无摆动，热源间距为3mm，光斑直径0.8mm，离焦量为+2mm，聚焦焦距300mm，激光和MIG焊枪与试件的夹角分别为84.5°、60°，焊缝正面保护气采用流量为50L/min的高纯氩气（纯度99.999%）且背部无保护气，焊丝干伸长为18mm。焊接方法示意如图2所示。

利用XXG-2505型工业X射线探伤仪检测焊缝内部气孔缺陷；利用OLYMPUS-BX51M型金相显微镜观察接头宏观成形和微观组织；利用FM-700型显微硬度仪测定接头硬度分布，加载载荷100g，保持时间10s；利用WDW-300E型电子万能试验机测试接头拉伸性能，拉伸速度2mm/min；利用ZEISS SUPRA55扫描电子显微镜，观察拉伸试样断口形貌。

试验结果及分析

基于大量的焊接工艺试验结果，I形坡口和Y形坡口采用的优化的激光-MIG复合焊接工艺参数及其对应的焊缝成形尺寸列于表2，对应的焊缝成形及气孔缺陷检测结果如图3所示。试验结果表明，在优化的激光-MIG复合焊接工艺参数情况下，I形坡口和Y形坡口的焊缝正面、焊缝背面和焊缝横截面均未观察到明显的成形缺陷，焊缝成形质量良好。但是，与I形坡口焊缝内部未发现气孔缺陷不同，Y形坡口焊缝内部发现了少量小尺寸气孔缺陷，这可能是因为Y形坡口的焊接速度相对较低，导致焊缝内部滞留的气体较多。观察焊缝成形尺寸，发现I形坡口和Y形坡口的焊缝正面熔宽和背面熔宽差异不明显，这可能是由于两种坡口形式的焊接线能量相近；但是I形坡口焊缝正面的余高更大，显得更加饱满，且I形坡口焊缝电弧主要作用区的熔深明显小于Y形坡口，这主要是因为I形坡口的电弧能量占比略低所致。

不同坡口形式铝合金激光-MIG复合焊焊缝的微观组织如图4所示。对比分析表明，I形和Y形坡口焊缝中心组织形貌特征一致，均为典型的树枝状晶，且晶粒尺寸大小基本一致，见图4a、4c，该现象主要是因为两种坡口形式的焊接线能量相近。靠近熔合线附近的焊缝区域，I形坡口和Y形坡口均出现了典型的柱状晶，但I形坡口焊缝柱状晶区宽度（421μm）大于Y形坡口焊缝柱状晶区宽度（286μm），这是因为I形坡口焊接速度更快，使得焊缝冷却速度更快，同时I形坡口熔合线附近热影响区局部晶界明显，表明该区域存在晶粒粗化现象，这可能是由于I形坡口的激光能量更高引起的，见图4b、4d。

不同坡口形式铝合金激光-MIG复合焊接头的硬度分布如图5所示。观察结果表明，I形坡口和Y形坡口接头的硬度分布规律一致，均为焊缝区硬度低于热影响区和母材区硬度，熔合线附近硬度最低，是接头最薄弱的环节。对比发现，I形坡口焊缝区（69HV）和熔合线附近（66HV）硬度均略低于Y形坡口焊缝区（71HV）和熔合线附近（68HV）硬度，这主要是因为I形坡口的激光能量较高，导致熔池的峰值温度更高，从而使得焊缝区合金元素的烧损更为严重^［16］。此外，I形坡口热影响区的硬度（77HV）略高于Y形坡口热影响区的硬度（74HV），这是因为I形坡口电弧能量占比略低且冷却速度更快导致合金元素向熔池扩散更少^［17］。I形坡口和Y形坡口的热影响区宽度分别为3.2mm和3.5mm，I形坡口接头的热影响区略窄，这主要是由于I形坡口的焊接速度更快。

不同坡口形式接头的拉伸试验结果如表3所示。试验结果表明：I形坡口和Y形坡口在优化工艺参数下的接头平均抗拉强度分别为202.0MPa和205.2MPa，分别达母材强度的80.8%和82.1%，Y形坡口的抗拉强度略高于I形坡口。拉伸试样均断裂在熔合线附近，这是因为该区域的硬度值最低发生接头软化而成为接头性能最薄弱的环节^［18］。不同坡口形式拉伸试样的断裂位置及断口特征如图6所示，可以发现，不同坡口形式拉伸试样断裂路径沿厚度方向基本与熔合线基本一致，断口形貌主要由韧窝组成，表明断裂主要为塑性断裂，但韧窝的尺寸和深度均相对较小。

结    论

针对8mm厚6005A-T6铝合金进行了激光-MIG复合焊接试验，对比研究了I形坡口和Y形坡口对接头的焊缝成形、组织特征、硬度分布和拉伸性能。具体结论如下：

（1）两种坡口形式焊缝成形质量均良好，未观察到明显的成形缺陷；I形坡口因电弧能量占比略小，其焊缝电弧主要作用区的熔深明显小于Y形坡口。

（2）两种坡口形式的焊缝中心均为树枝状晶且晶粒大小基本一致。I形坡口焊缝柱状晶区宽度大于Y形坡口，且热影响区存在晶粒粗大的现象。

（3）I形坡口和Y形坡口接头硬度均是焊缝区低于热影响区和母材区，熔合线附近硬度最低；I形坡口焊缝区和熔合线附近硬度均略低于Y形坡口，热影响区硬度则高于Y形坡口，I形坡口的热影响区宽度略小于Y形坡口。

（4）I形坡口和Y形坡口接头的平均抗拉强度分别为202.0MPa和205.2MPa，分别达到母材的80.8%和82.1%，拉伸试样均断裂在熔合线附近，断裂路径沿厚度方向与熔合线基本一致，断口呈现明显的塑性断裂特征。

（5）推荐采用Y形坡口进行激光-MIG复合焊接，因为其焊缝成形质量更好，硬度分布更均匀，接头性能更优异。