异种铝合金激光诱导电弧拼焊接头塌陷研究

丛炳坤 赵 斌 高 睿

（山东工业技师学院， 山东 潍坊 261053）

低合金高强钢激光—电弧复合焊的研究表明，该技术可以实现低合金高强钢的无预热或低温预热条件下优质高效的焊接。然而，中等厚度板材激光—电弧复合焊接对接坡口一般采用大钝边、小角度、无间隙形式，与传统坡口形式存在较大差别，所形成的接头断面形状也与常规弧焊存在较大差异，钝边部位形成的接头根部位置的化学成分、组织状态及力学性能等对焊接接头质量影响较大，但在此方面的研究较少，缺乏较系统研究数据。

1 电弧钎焊工艺

电弧钎焊工艺（如MIG 钎焊和MAG 钎焊等） 是一种将钎焊与电弧熔焊结合的技术，以传统熔焊常用的电弧为热源，采用熔点低于母材的焊丝，使其在电弧热作用下熔化，在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，液态钎料在母材表面润湿、铺展并在母材间隙中填缝，钎料与母材相互扩散与熔解，最终实现母材的连接。电弧钎焊一般采用低熔点的铜基焊接材料，与熔化焊接工艺（如MIG 焊和MAG 焊等）相比，热输入较低，非常适用于薄板不锈钢与耐候钢异种钢的焊接。目前对不锈钢和耐候钢薄板的电弧钎焊工艺的相关研究报道较少，主要集中在钎焊工艺、接头性能等方面。

2 试验材料和方法

试验材料为6061-T6 和5083-O 铝合金，材料尺寸为100mm×60mm×1.5mm。试验采用自行搭建的低功率脉冲激光诱导电弧复合焊接系统。其中激光器为波长为1.064μm 的脉冲Nd：YAG 激光器，焦距为100mm，焦点光斑直径为0.6mm。采用交流TIG 电弧，以纯氩作为保护气体，采用激光在前电弧跟后的焊接方式。焊前用钢丝刷和砂纸打磨去除铝板表面氧化膜，用酒精清洗去除油污，清理后在24 小时内完成焊接，避免母材被再次氧化。

3 试验结果及分析

3.1 焊缝根部化学成分

对于低合金高强钢厚板大钝边的激光焊焊缝的特性与焊缝元素分布有密切关系，根部作为易出现裂纹等缺陷的位置，需对大厚板激光—MAG 电弧复合焊焊缝接头取样并进行元素分析，复合焊接头焊缝根部的元素含量介于母材与焊丝之间。

3.2 接头塌陷对接头力学性能的影响

图1 为焊接参数对接头力学性能的影响。其中图1（a）为电弧焊过程中焊接电流对焊接接头抗拉强度的影响，可以看出随着焊接电流的增加，焊接接头不一致塌陷程度RTW和RTD 分别保持在2.0 和3.6 上下波动，焊接接头抗拉强度先逐渐增加，焊接电流为90A 时，抗拉强度达到最大为母材的72%，随焊接电流的进一步增加，焊接接头抗拉强度逐渐减小；图1（b） 为激光诱导电弧焊过程中激光功率对焊接接头抗拉强度的影响，可以看出随着激光功率的增加，不一致塌陷深度比RLW 保持在1.52 上下波动，而不一致塌陷深度比RLD 逐渐由3.19 减小至2.1，接头的抗拉强度先增后减，激光功率为445W 时，RLD 为2.52，此时接头强度达到最大，约为母材的80%，随着激光功率的进一步增加，接头抗拉强度逐渐减小。

图1 焊接接头不一致塌陷对力学性能的影响

4 焊缝塌陷成因及改善机制

焊接接头的不一致塌陷现象主要是由两种铝合金的热物理参数和化学成分不同引起的。列出两种铝合金的热物理参数，可以看出各温度下两种铝合金的比热容相当，而5083铝合金的热导率明显小于6061 铝合金，说明两种铝合金的吸热能力相当，但5083 铝合金散热能力弱，因此焊接过程热量在5083 铝合金侧累积，使5083 铝合金侧熔池存在时间较长。牛振等人研究表明5083 铝合金焊接过程中，由于Mg元素蒸发剧烈以及熔池液态金属流动性强，造成焊缝塌陷较为严重。5083 铝合金中Mg 元素的含量为6061 铝合金中的4倍，在焊接过程中Mg 元素蒸发剧烈，产生的蒸发粒子流反冲力大。

5 结语

综上所述，在一定范围内，随着焊接电流的减小或者焊接速度的提高，横焊接头的不对称性得到缓解;焊枪倾斜一定角度，利用电弧分力可以抑制横焊接头的不对称性。激光引入使焊接热输入明显降低，激光诱导电弧焊的最大热输入比电弧焊的最小热输入减小了7.81%，造成焊缝塌陷量明显减小，其中D L5 的最大值比D T5 最小值减小了25.4%。