李忠;刘佳;白陈明;张亚亮;杨玉东
【摘 要】为了解决传统铝合金焊接接头气孔数量多、晶粒粗大及力学性能差的问题,以5083-O铝合金为研究对象,进行了超声振动辅助激光-电弧复合焊接试验.研究了超声振动对铝合金焊缝气孔数量、微观组织及抗拉强度的影响,并探讨了超声波在焊接熔池中对气孔排出和组织细化的作用机理.结果表明,超声辅助焊接的焊缝气孔数量显著降低,主要归功于超声空化效应降低了铝合金熔体中的氢浓度,并促进气泡的快速逸出;超声波的空化效应和声流效应改变了熔体的压力、温度以及流动状态,使熔池的结晶条件发生改变,从而通过提高形核率和破碎枝晶细化了焊缝晶粒组织;施加超声振动后的焊缝平均拉伸强度由242.9MPa提高到270MPa,且断裂位置发生在热影响区,主要是因为焊缝区气孔减少和组织细化.此研究对深入理解铝合金焊接过程中缺陷形成机理及提高接头强度是有帮助的. 【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】2019(043)003
划线引小球>泥浆比重试验【总页数】6页(P301-306)
【关键词】激光技术;激光-熔化极惰性气体保护焊复合焊接;超声振动;铝合金
【作 者】怎么自制纳米胶带李忠;刘佳;白陈明;张亚亮;杨玉东
【作者单位】长春理工大学 机电工程学院,长春 130022;长春理工大学 机电工程学院,长春 130022;长春理工大学 机电工程学院,长春 130022;长春海拉车灯有限公司,长春 130022;普睿玛智能科技有限公司,苏州 215000
【正文语种】中 文
【中图分类】TG456.9
引 言
铝合金具有比强度高、耐腐蚀性能好和易于加工成型等优点，已被广泛应用于航空航天、船舶制造和汽车工业等加工制造领域[1-5]。铝合金的传统焊接方法有许多种，包括激光焊接、电弧焊接和摩擦搅拌焊等[6]。在铝合金厚板材的焊接中，为避免未熔透现象以及获得
大的深宽比的焊缝，激光-电弧复合焊接具有不可替代的优势。其中，激光-熔化极惰性气体保护焊(metal inert gas welding，MIG)复合焊接技术是将激光能量与MIG电弧能量耦合在一起的新兴激光特种加工技术，综合了激光焊接与电弧焊接两者的优点，解决了单一热源焊接时的缺点，并实现“1+1>2”的协同效应[7-10]。
关于铝合金激光-电弧复合焊接技术的研究，目前大多仅停留在激光功率、离焦量、电弧电压和光丝距等焊接工艺参量上。这些工艺参量的组合及优化虽然在一定程度上改善了接头性能，但难以突破技术瓶颈，如焊接接头组织粗大和气孔等缺陷。因此，国内外一些研究者试图将外部激励引入焊接过程，如电磁搅拌、超声振动等辅助方法。其中，超声波作为一种廉价且环保的能源，已逐渐参与到焊接领域，包括超声波焊接、超声波辅助焊接等。焊接过程中，超声波在熔体中会产生一系列效应，如空化效应、声流效应、过热效应及谐振效应，这些现象通过改变熔池的温度、压力及过冷度等来影响熔体的凝固行为[11-12]。JIAN等人[13]研究了超声振动对铝合金熔体形核与晶粒长大的影响,结果表明，超声振动在熔体中产生的空化效应促进了铝合金液相线温度附近熔体的异质形核，从而显著地细化了焊缝组织。LIU等人[14]在进行多道焊的同时利用超声振动对焊缝进行分层冲击处理，研究发现，超声冲击促进了焊缝与熔合线附近等轴晶的形成，并消除了每层焊缝中残余应力，
zigbee自组网获得了力学性能优良的多道焊焊缝。XU等人[15]进行了铝合金熔体超声振动排气试验，通过对铸锭密度的测量研究了不同处理温度下的超声排气效率，结果表明，熔体温度对超声排气效率影响显著，在溶体温度为700℃～740℃之间的排气效率高于620℃～660℃，而湿度与原始氢浓度对超声排气影响不明显。
5083-O铝合金是典型的防锈铝合金，尤其在航海领域得到广泛应用，但其劣质的焊接接头性能一直是亟待解决的问题，然而目前国内外对于超声辅助铝合金激光-电弧复合焊接的影响研究非常少，针对这一情况，本文中以5083-O铝合金为研究对象，在前期铝合金激光-MIG复合焊接工艺参量优化的基础上开展超声辅助铝合金对接焊试验。研究超声振动对焊接接头气孔率、微观组织及力学性能的影响。
1 试验材料、设备及方法
1.1 试验材料
试验材料选用尺寸为300mm×100mm×10mm的5083-O铝镁系铝合金板，钝边5mm，坡口30°(单边15°)，对接间隙1.8mm。焊前用饱和氢氧化钠对铝合金板的焊接区域进行碱洗以
去除氧化膜，然后浸入3%HF+7%HCl的混合溶液中，对残留氢氧化钠进行中和，最后用丙酮清洗表面。填充材料选用ER5087焊丝，焊丝直径为∅1.2mm。试验材料和填充焊丝化学成分如表1所示。
Table 1 Chemical composition (mass fraction) of 5083 aluminum alloy and filler wirematerialSiFeCuMnMgCrZrZnTiAl5083-O0.00400.00400.00100.004～0.010.04～0.0490.0005～0.0025—0.00250.0015balanceER50870.000220.00150.000050.0090.04～0.049—0.00082——balance
1.2 试验设备及方法
激光器采用德国Trumpf公司生产的HL4006D型Nd∶YAG激光器，电弧焊接设备采用日本Panasonic YD-350AG2HGE型MIG/MAG焊机，焊接机器人为六轴联动KUKA机器人，激光焊接头与MIG焊采用旁轴连接方式。试验中选用型号为CSHJ-1000的超声波发生器，其振动频率为20kHz，振幅为10μm，最大输出功率为1kW。图1为超声振动设备实物图。图2为超声波激发原理示意图。
Fig.1 Physical diagram of ultrasonic equipment
Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic principle
试验中采用电弧引导激光的焊接方式。为保证试验的可行性与稳定性，采取激光焊接头和超声振动头静止，而工件匀速运动的焊接方式。工件通过焊接工作台固定于数控导轨上，超声振动头垂直施加于工件底部，且相对于激光焊接头沿焊接方向前置5mm。超声振动头采用弹性压紧装置固定，减小工件热变形对超声振动头的压力影响，从而使超声振动能量输入更加稳定。在本实验室前期铝合金焊接的试验基础上采用如表2所示的工艺参量，其中焊接保护气体均采用纯度为99.99%的Ar。图3为焊接装置实物图。图4为其示意图。
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Table 2 Parameters of ultrasonic assisted laser-MIG hybrid weldingprocessing parametersvaluelaser power P4kWarc current I220Aarc voltage U21.2Vdefocusing distance Δf-2mmheat source distance DLA3mmnumerical control table movement speed v0.5m/minshielding gas flow rate fg30L/minMIG shielding gas flow rate ft15L/min
Fig.3 Physical diagram of welding device
Fig.4 Diagram of ultrasonic assisted laser-arc hybrid welding
2 试验结果分析与讨论
2.1 焊缝成形与气孔
在铝合金的焊接中气孔是普遍存在且难以解决的问题。铝合金表面的氧化膜易吸附空气中的水分而形成Al2O3·6H2O，焊接过程中，氧化膜吸附的水和空气中的水蒸气被电离形成H2进入熔池[16]。然而，氢在铝合金固相和液相中的溶解度相差极大，如图5所示[17]。此外，铝合金导热性能强，熔池的冷却速率(cooling rate，CR)极快，其熔体凝固时间仅有1s左右，因此，大多氢气泡来不及逸出熔池而滞留在焊缝中形成体积较小的冶金气孔。另一方面，在激光-电弧复合焊接过程中，由于等离子体的存在，会对激光产生折射、反射和散射现象，使到达工件的激光能量减少，激光匙孔的稳定性下降，导致激光匙孔会出现周期性坍塌现象，使得部分保护气体和金属蒸汽被卷入熔池底部形成较大的工艺性气孔[18]。铝合金焊缝气孔形貌如图6所示。
Fig.5 Solubility of hydrogen in aluminum alloy
Fig.6 Porosity morphology of aluminum alloy weld
由图7可看出,超声振动对焊缝整体成形影响并不显著。图8为对铝合金焊缝进行X射线探伤结果。施加超声振动的铝合金焊缝气孔数量明显减少，且气孔有向焊缝中心汇集的趋势。分析认为，气孔的减少主要是因为超声波在熔体中的空化效应。在超声波的正负压相交替作用下，熔体分子在其平衡位置发生弹性振动，当超声强度大于熔体空化阈值时，熔体分子在超声负压相产生的拉应力作用下脱离其平衡位置而形成空穴，空穴继续长大成为空化泡[19]。在稳态空化阶段，空化泡在超声波的作用下不断膨胀、压缩，空化泡膨胀阶段泡内压强低，使得铝熔体中游离的氢向空化泡内单向扩散，不仅降低了熔体中氢浓度，且空化泡体积进一步增加更易上浮逸出熔池[20-21]。
Fig.7 Weld macroscopic morphologya—without ultrasonic b—with ultrasonic
Fig.8 X-ray inspection photos of weldsa—without ultrasonic b—with ultrasonic
2.2 焊缝微观组织
微冻技术焊缝的微观组织结构是决定其力学性能最重要的指标之一，晶粒越均匀细小，焊缝整体力学性能越好。然而在传统铝合金的激光-电弧复合焊接中，焊缝组织以粗大的柱状晶为主，
其机械性能和耐腐蚀性能特别差，因此如何改善焊缝区微观组织非常重要。图9为铝合金焊缝的横截面电弧作用区微观组织形貌。图10为铝合金焊缝的横截面激光作用区微观组织形貌。由图9和图10可发现，超声振动明显细化了电弧作用区和激光作用区组织，且气孔数量明显减少。电弧作用区实际是激光与电弧的共同作用区域，接收的能量更高，其熔化区域大于激光作用区的熔化区域，因此其冷却速率较小，过冷度相对较小，晶粒生长时间增加，使电弧作用区的平均晶粒尺寸大于激光作用区的平均晶粒尺寸。无超声辅助的焊缝激光作用区晶粒沿熔合线向焊缝中心生长的趋势非常明显，且以粗大的柱状晶为主，而施加超声后焊缝组织以细小的等轴晶为主。关于超声振动细化焊缝晶粒的机理主要包括超声诱导形核和超声破碎晶粒。
Fig.9 Microstructure of arc action zone of welda—without ultrasonic b—with ultrasonic
Fig.10 Microstructure of laser action zone of welda—without ultrasonic b—with ultrasonic
空化效应产生的空化泡在超声波的正负压交替作用下经历长大、压缩和崩溃过程，图11为空化泡动态过程的示意图。
Fig.11 Schematic diagram of the dynamic process of cavitation bubbles
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