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车用AA7075(T6)激光-MIG复合焊和单独激光焊接头组织和性能研究1.引言铝合金材料由于导电导热性好、质量轻、抗腐蚀、易成形等优点，受到众多工业制造领域的青睐，可以制造各种各样化工耐蚀和低温设备，这样极大地推动了铝合金焊接技术的发展。因此，提高铝合金焊接的生产率和焊接质量，减少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成为实际生产的迫切要求[1]。激光焊接是实现铝合金结构联接最具有技术和经济优势的加工方法。在工业生产中，激光焊接是一种很有前景的连接工艺，因为他能在较高的焊接速度和较低的热输入下，获得深而窄的焊接接头，但成本高。气体保护焊虽然成本低，在焊接特性上又有一定的局限性，将两种方法结合，可有效的提高焊接效率，近年来发展的铝合金复合焊接技术主要是采用高能焊接方法，如激光-电弧焊、激光-等离子弧焊、等离子电弧焊、等离子-电子束焊、TIG-MIG、等。这些焊接方法具有能量密度大且较集中、焊接速度高、焊接变形小、焊接质量高等优点[1]。此外，基于固相连接技术的新型焊接技术——搅拌摩擦焊也可用于高强铝合金的焊接，该种方法具有优良的接头力学生能，不需要填充焊接材料，没有焊接烟法和飞溅，很少的焊前准备和焊接变形等优势。在此主要针对高强铝合金激光-电弧复合焊进行分析。2.激光复合焊的现状、实验研究及应用2.1.高强铝合金激光焊接分析及现状铝合金材料由于导电导热性好、质量轻、抗腐蚀、易成形等优点，受到众多工业制造领域的青睐[1]，美欧等主要工业国家都用4位数字来表示铝和铝合金牌号，其中2系与7系一般为高强度铝合金，主要为压力加工铝合金中防锈铝合金类、硬铝合金类、超硬铝合金类、锻铝合金类、铝锂合金类。铝合金的激光焊接在八十年代还被认为是不可能的，这主要是由于铝合金对激光的高反射性和自身的高导热性。除此之外铝合金还存在一些难点，例如铝元素电离能力低，焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展，焊接过程稳定性差；激光焊接熔深比大，气泡不易上浮析出，容易产生气孔等[9]。激光焊接是上世纪中后期发展起来的一种焊接新技术，与传统的焊接方法相比，激光焊因其熔深大、速度快、焊后变形相对较小以及适合难焊金属的焊接而广发应用于许多工业领域。但激光焊设备占地面积大，购置费用昂贵，设备维修费用高等缺陷限制了激光焊接在更多工业领域中的应用[2]。而弧焊作为一种成熟的金属连接技术已经在工业界得到了广泛的应用，但由于束流能量密度的限制，相对于高能束流焊接而言，弧焊的焊接厚度和焊接速度均较小，且焊缝的热影响区较大，焊缝具有较小的深宽比[3]。当前，国际上铝合金激光焊接的另一热点是采用所谓的复合工艺。即将激光与电弧焊接结合起来。这种复合工艺被认为是综合了激光与电弧的优点，即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区组合起来，同时，通过激光与电弧的相互作用，来改善激光的耦合特性和电弧的稳定性，以获得一种综合的效果[1]。2.2.激光电弧复合焊焊接性实验研究激光熔化极惰性气体保护复合焊技术由于其商业上应用的多样性被很快的接受。当这种应用被广泛传播时，我们就需要了解大量工艺参数与焊接结果之间的关系，来研究包括焊接质量，焊接组织性能，焊道扭曲变形等[4]。A．熔化极气体保护焊（MIG）MIG焊接是一种效率高、自动化程度高的连接方法。对AZ31B镁铝合金MIG焊进行了研究，实验表明MIG焊接时热影响区和焊缝晶粒的变化趋势与TIG焊接相类似。热影响区的晶粒粗大,焊缝区晶粒较均匀,如图1所示。但MIG焊接接头的晶内和晶界处连续析出物增多,热影响区晶内析出物较多,而HAZ又是焊接接头的薄弱环节,所以会减小HAZ出现焊接缺陷(如热裂纹)的几率。MIG焊接时有飞溅现象,焊缝成形不及TIG均匀；MIG焊接接头的余高较高,因为一些不稳定因素,焊缝处会出现焊瘤；MIG焊缝区的显微硬度比TIG焊高；MIG焊接热影响区HAZ的晶内析出相弥散分布,焊缝区晶界析出相连续分布;而且MIG焊接接头的显微硬度值较TIG焊接时要高,焊接接头的力学性能有所提高[5]。图1.MIG焊接接头的显微组织对高强Al-Cu合金2219MIG焊焊接接头组织与性能进行研究。2219铝合金母材及人工时效处理条件下焊接接头强度系数为母材的63.2%，延伸率（δ）仅为4.7%，远低于母材的15.4%。将时效处理后的焊接接头拉伸性能与焊态下的接头拉伸性能进行比较，发现经过人工时效处理，接头强度明显提高，抗拉强度σb由296.4MPa上升到316.4MPa，强度系数达到母材的67.6%，塑性有一定的下降，延伸率δ由4.7%降到4.0%。对接头拉伸断口进行观察发现焊接接头断裂部位均为为焊缝，说明焊缝为焊接接头薄弱区。焊接接头HAZ的硬度高于焊缝的硬度，越靠近熔合线，焊缝硬度越低，在熔合线附近焊缝硬度达到最低。而HAZ则恰恰相反，随着离熔合线的距离越远，焊接热循环峰值温度逐渐降低，焊接热循环对HAZ的影响越小，HAZ硬度逐渐上升。焊接接头中焊缝硬度值最低，而拉伸试验表明焊接接头断裂部位为焊缝，焊接接头中焊缝拉伸性能最差，因此焊缝为焊接接头最薄弱区[6]。B．自熔小孔激光焊对于自熔小孔激光焊接，高热量输入（低激光能量密度和低焊接速度组合）形成了较大的熔池而且小孔根部位于在熔池中心部位。在这种情况下焊接过程是相对稳定，而且不会存在严重的孔隙。相比之下，低热量输入（高激光焊接速度高能量密度组合）会形成一个小的熔池并且小孔根部接近熔池前沿;这个过程不太稳定，而且在焊缝中会产生一些严重的孔隙。我们可以发现高压保护气体可以通过抑制熔池中的液体来改善表面的粗糙度。显微测试表明，在激光焊接过程中的快速的热循环将导致狭长的局部熔化区和热影响区。在焊接熔合区形成一个在焊缝中心部位的等轴晶结构和靠近熔合线部位的树枝状晶粒结构。铝合金2024激光焊接小孔导致焊缝硬度下降至90-100HV0.3值（与在130-140HV0.3范围母材的硬度）。激光焊接过程中快速热循环的形成了一个狭长的部分融化区，并且在焊缝中部的形成等轴晶组织和与融合线毗邻的柱状晶组织[7]。C.激光电弧复合焊AA7075用激光保护气电弧复合焊焊接，在经过短时固溶热处理解决方案后，在晶界的很大一部分焊接熔合区内都存在基相弥散。拉伸试验和微硬度测试表明，焊缝也有一个类似于用AA2319焊接的采用T6标准热规范后的基相合金的强度。根据断裂表面扫描电子显微镜观察表明会产生大量细微韧性裂纹和较大的凹坑。相比于基合金，焊缝韧性和强度的提高能够使焊缝比在没有经过固溶热处理后具有更好的成型性[8]。大量的参数组合被用于检测带有切边余量的AA7075薄板的对接焊，首先对焊缝表面进行目测检查，然后其结果表明复合焊的焊缝表面平滑且顶部产生规则的焊道。典型的焊缝表面的图像如图2所示。相比之下，相同的制造等级下，用激光电源的单独自熔激光焊焊出的焊缝在同样的顶端和边缘会形成粗糙的焊道。图2.分别用激光电弧复合焊（上）和自体激光焊（下）焊出的样品的上、下表面的典型外观凝固速度在树枝状组织的元素微偏析中起到很重要的作用。一般情况下，凝固速度越快，树枝晶间隔和第二相晶界就越好，微偏析情况越小。单独激光焊形成的焊缝在所有被检测的焊接条件中有最好的树枝状组织。然而，如图3显示的，在激光焊接熔合区的微观硬度仍然低于基相合金。进一步提高凝固的速度受到可用的激光功率的影响，也受到在连续激光焊接或激光电弧复合焊下热量条件的影响[7]。图3.采用自体激光焊接以80mm/s的焊接速度焊出的焊缝的横向微观硬度的测量结果如图在进行标准对接焊缝拉伸测试时，焊道要横向置于测试装置的中间。在经过固溶处理和120℃的24小时人工时效处理后，测试样品就有了510±5Mpa的屈服强度（0.2%）和548±6MPa的极限抗拉强度（UTS）。包括弹性伸长率和塑性伸长率的总伸长率在焊缝断裂时伸长率达到5.7%。这些对于原始母材为AA7075来说不亚于480MPa的极限强度，536MPa的极限抗拉强度和14.5％的伸长率的钢。断裂试样的断口表面在扫描电子显微镜下被检测。如图4显示了固溶处理前后试样断口表面情况。经过固溶热处理后的样品存在大量细微凹坑和较大的间隙。类似的特征也在原始母材合金的断口表面出现。细密的凹坑表现出了韧性被破坏，还有较大空隙也与在光学显微镜所示图片显示的树枝晶晶界里被隔离的第二相有关。所有拉伸测试的破坏部位都位于焊缝熔合区靠近熔合边界的位置，这也暗示了焊缝的塑性变形能力低于其他基合金。但是，由于焊缝有相对的强度等级，所以伸长和变形不再集中在焊缝熔合区。因此焊接结构有个相对较好的变形能力。激光-MIG复合焊接方法中，采用了MIG焊，使得熔池宽度增加，所以装配要求降低，焊缝容易跟踪。MIG电弧可以解决初始熔化问题，从而可以减少激光器的功率。MIG焊的气流可以解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题；MIG焊便于加入填充焊丝，能调整焊缝金属成分，从而避免表面凹陷形成的咬边。激光焊的深熔、快速、高效、高能密度输入特点仍然保持[6]。近年来研究表明，激光-MIG复合焊在中厚板焊接中有较明显的优势。该焊接方法可通过调节激光与电弧的相对位置，可有效的改善焊缝的适应性，改善焊缝的成形，同时，输入的电弧能量能调节冷却速度，进而改善微观组织，在激光与电弧相互作用下，焊接过程变得更加稳定，而且在增加熔深的同时提高焊接速度[10]。图4.在自然时效处理后的焊缝断口表面显示出晶粒内部的缺陷（上图），而在经过短时固溶热处理后断口表面会有大量细微柔软的凹陷和尺寸较大的缝隙实验表明AA2519(T87)激光-MIG复合焊中，采用类似双U型坡口比国外常用的双V型坡口更有利于复合焊的焊接;保护气体对焊接接头的气孔的形成比较敏感,从而影响焊接接头的抗拉强度,复合焊的保护气体一般采用氦气中添加少量的Ar送丝速度通过改变焊接热输入来影响焊缝组织的晶粒大小以及强化元素的烧损量对焊接接头的强度影响较大。焊后对接头进行合适的热处理,可以显著提升接头的抗拉强度[11]。激光与电弧之间的距离(DLA)对复合焊的熔深影响较大,在DLA为2mm时,熔深达到最大。离焦量主要是通过影响能量密度来影响熔深和熔宽,在离焦量为+2mm时熔深达到最大,不同于单独激光焊负离焦时熔深最大。焊接速度有一个合适的范围,在这个范围内随着焊接速度的增加,熔深熔宽减少。送丝速度对复合焊的焊缝形状影响最大,送丝丝度较小时焊缝形状类似于单独激光焊;送丝速度过大电弧等离子体屏蔽激光,焊缝形状类似于MIG。激光的倾斜角度对复合焊的焊缝熔深熔宽也有一定的影响,当激光的倾斜角度为10℃时,熔深达到最大熔宽最小[12]。图5.激光电弧复合焊示意图轻量化轿车用3A21铝合金MIG+激光复合焊接工艺，在MIG+激光复合焊接过程中,熔深和熔宽均随着焊接速度的增大而减小。在较高焊接速度时,熔深、熔宽与焊接速度近似为线性关系；MIG+激光复合焊接与激光和MIG电弧单独焊接相比,复合焊接的熔深大大增加,且焊缝成形良好,无缺陷,同时实现了小功率激光焊接铝合金,并且大大提高了生产效率；MIG+激光复合焊接时较大的熔深,在树枝晶成长过程中,溶质中元素向焊缝中心区聚集,最后在中心区形成微细等轴晶,有利于改善焊缝的冶金机械性能[13]。在比较宽的参数范围内YAG激光2脉冲MIG复合焊接铝合金具有焊缝成型美观,无气孔等优点,熔深与激光焊相比增加4倍,与脉冲MIG焊接相比增加1倍以上,焊速显著提高；在YAG激光2脉冲MIG复合焊接中,除激光功率和电弧电流及焊速影响熔深外,高速焊接时,激光与电弧中心之间的距离对熔深有较大影响.即该距离越小,熔深越大.激光离焦量对YAG激光2脉冲MIG焊接熔深影响较小；激光引起的等离子体,对稳定脉冲电弧有促进作用,从而使YAG激光2脉冲MIG复合焊接过程得到稳定。直流脉冲电弧的熔深大于交流脉冲电弧的熔深[14]。数学模型被开发用来模拟单独激光焊和激光-MIG复合焊的三维动态。分析了在熔池中金属液的流动，传热，传质以及液滴的冲击力电弧热输入等。在复合焊中，由于来自电弧和液滴的额外的热输入，增加了凝固时间，这样可能就减少了热裂纹倾向。还有，通过填充金属，在激光