焊接速度对铝合金激光电弧复合焊焊缝成形的影响
时间：2020-11-07 15:55:16 来源：达达文档网 本文已影响 人 
霍仁杰
摘要：随着近年来科学技术以及经济社会的快速发展，产品轻量化的需求日益增加，为铝合金材料的发展提供了良机，促进铝合金焊接方面的研究也不断地深入。相应的，铝合金的焊接也存进了焊接技术的革新，而激光电弧复合焊接以两种热源复合发挥各自优点的特色广泛应用到铝合金的焊接。本文重点研究焊接速度对焊缝成形——熔深、熔宽的影响，实验表明，随着焊接速度的增加，熔深变浅，熔宽变窄，在一定的输出功率下小焊接速度更有利于焊缝成形。
Abstract：
With the rapid development of science and technology and the economy and society in recent years， the demand for lightweight products is increasing， which provides a good opportunity for the development of aluminum alloy materials and promotes the research of aluminum alloy welding. Correspondingly， the welding of aluminum alloys also contains the innovation of welding technology， and the laser arc hybrid welding is widely used in the welding of aluminum alloys with the characteristics of the combination of two heat sources and their respective advantages. This article focuses on the study of the influence of welding speed on weld formation-penetration depth and penetration width. Experiments show that with the increase of welding speed， penetration depth becomes shallower and penetration width becomes narrower， so at a certain output power， the small welding speed becomes more conducive to weld formation.
关键词：激光电弧复合焊接;焊接速度;焊缝成形
Key words：
laser arc hybrid welding;welding speed;weld formation
中图分类号：TG456 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）29-0134-02
0 引言
以铝作为主要元素，其他元素添加形成铝合金，又称为铝基合金。其他合金元素主要有Cu、Mg、Zn、Si、Fe、Ti、Cr等，近年来又研发出铝锂合金。铝合金具有轻质、比强度高、导电性能优异、没有磁性、成型较为容易及低温性能好等特点而被广泛地应用于用以代替钢从而实现轻量化，结构重量可减轻50%以上。所以，铝合金的焊接就成为一个新的难题，由于铝合金导热性好，传统低能量密度的焊接方法不适合于铝合金的的焊接，搅拌摩擦焊适合焊接却还没有达到很高的效率，因此，采用高能束焊接方法成为解决铝合金的焊接有效途径。
针对各自行业特色，在冶金机械、轨道交通运输、航空航天、核电等领域不断研发出适合的焊接方法进行铝合金的焊接，并取得了一定的效果，主要从高质量和高效率两个方向进行技术革新，焊接性差的问题逐渐得到了解决[1]。Jackson[2]研究表明，车企大约60%的汽车用铝合金都源自于废弃铝合金的铝合金结构产品，由此可见车用铝合金的回收再制造工作做得很好，这一比率接近九成。
铝合金激光-电弧复合焊接技术（Laser Welding）是近几十年以来为结合激光热源高质量和电弧热源高效率而产生的焊接新方法，激光-MIG復合焊是将激光和电弧的热源复合到一起的一种工艺方法，以其独特的优点来弥补各自单一工艺过程的缺点。它是在1979年由W.M.Steen研究提出激光-电弧复合焊。它通过复合激光和电弧两种热源，提高了焊接的优越性，并降低了各自焊接的缺点。在激光-电弧复合焊中，合金元素可以通过焊丝加入到焊缝金属中。它可增大焊缝装配间隙的裕富度。激光的等离子体会使得更多的电弧热进入到焊接过程中形成的小孔中。激光-电弧复合焊有较高的焊接速度和较大的熔深。与其他焊接方法做一个比对，激光电弧复合焊接方法功能强大，由于自动化程度高，所以可靠性也高、最后焊接的保护气氛为氩气，相比于电子束焊接真空条件，工艺成本较低。激光功率大，复合焊接的线能量高的同时总的热输入却很低、形成了热影响区窄、接头应变小、熔深较深的焊缝、由于激光焊接和电弧焊接均已形成成熟的自动化体系故而工艺方法从一开始就是一种智能的焊接工艺。
激光-电弧焊接方法优点总结共计以下7条[3-4]：
①焊接时能量密度较高，焊接变形小，施加在焊缝上总的热输入量不大，热影响区窄，有利于形成高质量的焊接接头，熔透性好。
②激光焊接属于高能束焊接方法，复合焊接过程的物理冶金行为继承了这一特点，主要体现在冷却速度快、非平衡凝固过程的焊缝区晶粒细小而弥散，接头的强度和韧性同时得到提高。熔池能量分布可以通过流体的有限元分析用于改善焊接焊缝成形性能和显微结构。
③稳定性高。电弧热源的缺点是容易受到各种环境因素的影响，工程应用中不利于产品的稳定生产，如果焊接速度等工艺参数较大的情况，稳定性更差，这是因为电弧阳极区的跟部或者阴极区斑点的剧烈跳跃从而咬边、驼峰等焊缝缺陷倾向增大，不利于焊缝成形。激光热源复合其中，完全改变了这种情况的发生，激光能束就能够不断为电弧输送阴极斑点，有效抑制电弧弧根跳跃。激光等离子体还能够通过激光、电弧相互作用提高了电弧的电离程度，稳定和压缩电弧，提高工程应用水平。与压力焊相比，激光-MIG复合焊接效率较高，所以减少了工时和成本。
④更强的接头间隙桥接能力。激光焊接的接头缝隙只能在很小的范围内波动，否则将形成气孔、咬边，未熔合等焊接缺陷。已有的研究证明复合焊接能够在接头间隙高达 1.5mm的情况下获得理想的焊缝成形。
⑤更强的高反射率金属焊接能力。这是电弧复合解决激光单一热源反射率高、高能束利用率低的集中体现。如果电弧先导，在激光在前端对焊缝产生预热作用，则大大降低高反射率金属对激光能量的反射，提高了特殊材料的可焊性。基于此，目前激光-MIG复合焊接大量应用于高反射率金属，如铝基合金、铜基合金、钛合金等金属材料或复合材料的焊接性与焊接工艺，并且取得了理想的焊缝成形。同样地、与单一电弧热源进行焊接相比照，激光-MIG复合焊接的焊接变形更小。通常，电弧焊接因为变形而进行的后处理大约需要耗费整个工作流程工时的三分之一甚至更多。
⑥激光器能够远距离传输为生产过程提供了便捷调节，有利于整个过程的有效实施，配合计算机网络和焊接机械手臂，可实现生产过程的信息化、精密跟踪控制。
⑦通过复合激光和电弧两种热源，提高了焊接的优越性，并降低了各自焊接的缺点。在激光-电弧复合焊中，合金元素可以通过焊丝加入到焊缝金属中。它可增大焊缝装配间隙的裕富度。有稳定电弧的作用，在激光等离子体的影响下，使更多的电弧热进入到焊接过程中形成的小孔中。激光-电弧复合焊有较高的焊接速度和较大的熔深。
1 平板激光电弧复合堆焊工艺参数
本次实验材料采用了5A06（LF6）铝合金板材，板厚分别为5mm。5A06铝板特性及适用范围：5A06铝板为Al-Mg系防锈铝，具有较高的强度和腐蚀稳定性，在退火和挤压状态下塑性尚好，用氩弧焊的焊缝气密性和焊缝塑性尚可，气焊和点焊其焊接接头强度为基体强度的90～95%;可切削性能良好。
5A06（LF6）铝合金板材化学成分如表1所示。
用激光电弧复合焊接的方法把金属熔化，熔融的液态金属凝固后沉积在机器极其零部件上进行再制造修复。通常用来修复磨损和崩裂部分。这种通过复合激光熔覆技术进行金属材料表面改性既经济实用又高效，越来越广泛地应用于工程机械、核电、船舶以及轨道交通等领域。实验采用5A06铝板进行平板堆焊试验，通过对不同焊接工艺参数的实验，确定较好的焊接工艺参数。在选定焊接工艺参数下进行平板堆焊，最后完成5A06铝合金板材的激光-MIG复合焊接。
激光-电弧复合焊接工艺参数包括三部分：激光工艺参数，电弧工艺参数以及复合焊接的其他参数。激光参数包括：激光输出功率P和离焦量△f，实验中激光功率选定4kW;电弧工艺参数主要为焊接电流I、电弧电压U、焊丝材料的干伸长度L以及送丝速度V;复合焊接其他主要参数有本文重点研究的焊接速度v、保护气体Ar的纯度、气体流量、光丝间距D、激光与电弧夹角α以及激光与电弧排列方式。通过调节这些工艺参数，结合专家数据库进行优化设计。
2 焊接速度对焊缝成形——熔深、熔宽的影响
采用8mm厚铝合金板材进行激光—MIG电弧复合焊接，保持送丝速度，焊接电流，光丝间距，电弧电压，离焦量的数值不变，研究速度为100v/cm·min-1、200v/cm·min-1、300v/cm·min-1情况下焊缝成形质量，以熔深、熔宽作为两个重要的焊缝成形指标研究变化规律。如表2所示。
通过实验，在相同的功率下，随着焊接速度的增加，熔深和熔宽随之变浅变窄。在激光-电弧复合焊接过程中，电弧热源主要决定焊接熔宽，激光热源主要决定焊接熔深。激光与电弧之间存在强烈的相互作用，即使在高速焊接过程中，焊接电弧也非常稳定，不存在电弧漂移现象。
3 结论
本文阐述了激光-电弧复合焊接的基本原理和复合形式，归纳了几种激光-电弧复合焊接技术的特点、应用范围和国内外的研究进展。激光电弧复合焊接是有效焊接铝合金的手段，对于5A06铝合金的焊接，焊接速度显著影响着焊缝成形，设定功率值固定不变，随着焊枪速度的增大，熔深变浅，熔宽相应越宽。小工艺参数情况下更有利于形成高质量的焊缝接头。未来，激光-电弧复合焊接技術有着非常广泛的应用前景，是今后激光焊接技术的发展趋势，激光-电弧复合焊接机理还有待于进一步研究。
参考文献：
[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第一卷）焊接方法与设备[M].北京：机械工业出版社，2001.
[2]Rich Hall.Profile of Kentuckys Aluminum Industry[R]. Office of Research and Information Technology Kentucky Cabinet for Economic Development， 2005.
[3]白利兵.薄板铝合金光纤激光-MIG复合焊工艺与性能研究[J].焊接技术，2020，49（04）：29-34，1-2.
[4]范立坤.增材制造用金属粉末材料的关键影响因素分析[J].理化检验（物理分册），2015，51（07）：480-482.
