工艺参数对铝合金激光填丝搭接焊缝成形的影响_王国振

工艺参数对铝合金激光填丝搭接焊缝成形的影响王国振 1 王春明 1* 王军 1 杨上陆 2 胡席远 1 （1. 华中科技大学 材料科学与工程学院 武汉 430074; 2.通用汽车中国科学研究院 上海 201206）摘要： 铝合金的激光焊接具有焊接速度快、热输入量小、焊接质量高等独特优势；激光填丝焊接能够在降低激光焊接 对工件焊前坡口准备和接头装配精度要求的同时，改善焊缝的冶金特性，防止裂纹等缺陷的形成，提高焊接接头性能，因 此成为目前铝合金激光焊接普遍采用的技术。

本试验采用激光填丝焊接的方法，研究三种主要的工艺参数，即激光功率、 焊接速度、送丝速度，对 5754 铝合金搭接焊缝表面成形及熔深的影响。

试验发现，对焊缝表面成形影响最大的是焊接速 度，在合适的焊接速度和光丝间距等条件下，激光功率和送丝速度对焊缝表面成形的影响较小；焊缝熔深和激光功率、焊 接速度具有线性关系，激光功率增大、焊接速度减小，焊缝熔深有线性增加的趋势；另外，增大送丝速度，焊缝熔深明显 减小，焊缝堆高明显增大，但是送丝速度对焊缝熔宽影响不大。

关键词：激光填丝焊接 铝合金 搭接 焊缝成形0 前言全球变暖、CO2 排放超标等环境问题与交通 运输工具，特别是轿车大量使用化石燃料密切相 关[1]。

安全、节能、环保已成为轿车制造行业的 发展方向，轿车材料的轻量化是实现轿车减重、 节能、环保的重要途径之一。

采用高性能轻质铝 合金材料代替沉重的钢制材料已成为轿车工业关 注的焦点[2]。

5754 属于铝-镁系合金，是该系中的 典型合金。

5754 铝合金具有中高强度，优良的耐 蚀性， 良好的塑性和加工性能， 不可热处理强化。

在国外， 不同状态的 5754 铝合金板材主要用于制 作焊接结构件、大型屋面瓦，在汽车制造业中被 广泛使用[3]。

针对 5000 系铝合金的焊接， 传统的焊接方式 主要为惰性气体保护金属极电弧焊 （MIG） 惰性 、 气体保护钨极电弧焊 （TIG） 等电弧焊和电阻焊[4]； 但是由于铝合金熔点低、 热传导系数大、 密度小、 线膨胀系数大等特点，采用普通电弧焊接时，易 在焊缝及热影响区中形成裂纹、 焊缝成形质量差、 [5] 热变形等各种焊接缺陷 。

激光焊接具有焊接速度快、热输入量小、焊 接质量高等优点[4]，目前已经被应用于汽车、航 1 试验准备及方法 1.1 试验准备 试验材料选用 2mm 的 5754 铝镁合金板，试 样尺寸为 60mm X 37mm。

填充焊丝为直径 1.2mm*通讯作者，cmwang@空航天、建筑以及电子行业中某些特殊型号的铝 合金焊接过程中[6]。

单激光焊接，焊接装配精度 要求高，焊缝化学成分完全取决于母材，性能不 能按要求调整，低熔点元素易蒸发造成接头性能 下降，而且单激光焊接过程不稳定，焊缝成形不 理想，会导致诸如焊塌、咬边和软化等的缺陷[7]。

相比之下，采用填充焊丝是目前铝合金激光焊接 普遍采用的技术，它可以改善焊缝的冶金特性， 防止焊接热裂纹等缺陷的出现。

影响激光填丝焊 接过程的因素有很多，如激光功率、焊接速度、 送丝速度、保护气体流量、光丝间距等。

研究这 些变量中的一个或几个对焊缝表面成形、焊缝熔 深的影响， 获得它们影响焊缝成形的趋势及机理， 有助于获得成性良好、缺陷少的高质量焊缝。

本文采用 4kw 的 YLR-4000 光纤激光器，针 对 2mm 厚的 5754 铝合金填入 ER5356 铝合金焊 丝，进行了激光填丝搭接焊接的研究。

在实现稳 定焊接的基础上，研究了三个重要的焊接参数， 激光功率、焊接速度、送丝速度对焊缝成形（主 要为表面成形、 焊缝熔深、 焊缝熔宽和焊缝堆高） 影响的变化规律，并对相关机理进行了探讨。

的 ER5356 焊丝。

5754 铝合金及焊丝主要化学成 分见表 1。

表15754 铝镁合金及 ER5356 焊丝的主要化学成分（wt%）Mg 5754 2.6-3.6Si 0.4 0.25Cu 0.1 0.1Mn 0.5 0.05-5.50Ti 0.15 \Fe \ 0.4Zn 0.2 0.1Cr 0.3 0.05-0.20Al Bal. Bal.ER5356 4.50-5.50激光器为额定功率 4kw 的 YLR-4000 光纤激 光器，送丝设备为 Fronius 公司生产的专用送丝 系统，机器人为 ABB IRB4400 专用焊接机器人。

焊接过程采用前置送丝， 焊丝与试板保持 30°夹 角；保护气体为纯氩气，气嘴与试板保持 45°夹 角，与试板的距离为 5mm；激光离焦量为零，见 图 1。

试验试板采用 NaOH 溶液清洗以除去表面的 氧化膜，然后用 HNO3 中和碱液，清水清洗，之后放入烘干炉中烘干， 焊前取出， 用丙酮进行清洗。

试验过程中，焊丝的杆身长度（焊丝伸出送丝枪 的长度 Ls） 小于 14mm， 激光光斑中心与焊丝末端 中心在焊接方向上的距离（Wx）为 0.45-0.75mm （焊丝半径±光斑半径）在垂直于焊接方向上的 ， 距离（Wy）为小于±0.15mm（光斑半径） 。

见图 2。

图1激光填丝焊接示意图2光丝位置示意图1.2 试验方法 试验采用搭接的焊接形式，选择激光功率 （P） 、焊接速度（VW）及送丝速度（VF）三个参 数作为主要的控制变量， 研究了其对 5754 铝合金 激光填丝焊接成形的影响。

分别进行了三组试验， 每组试验采用单变量法，保证其它参数及试验条 件不变的条件下分别改变激光功率（P） 、焊接速 度（VW）及送丝速度（VF） 。

为了研究这三个工艺参数对焊缝成形的影 响，首先对焊缝表面成形进行了类别的划分，划 分为 3 类，如表 2 所示。

Ⅰ类成形，焊缝表面光 滑，波纹均匀，表面成形质量最高；Ⅱ类成形， 焊缝表面光滑， 波纹比较均匀， 偶尔有驼峰出现； Ⅲ类成形，焊丝熔入焊缝过程极不稳定，焊缝波 纹不均匀，有周期性的驼峰出现，焊缝表面成形 质量最差。

之后对焊缝的纵切面进行测量和计算， 得出了焊缝的平均熔宽（W） 、平均堆高（H）及 平均熔深（D） 。

方法是选取一段合适的焊缝，避 开起焊与收弧的不稳定焊段，使用软件对所选区 域沿焊缝边缘进行描边、算出所选区域的面积 （S） ，再经过计算得出所需要的平均熔宽（W） 、 平均堆高（H）及平均熔深（D） ，如图 3 所示。

其中标尺为实际板厚 2mm，除以 2mm 板厚在软 件中的相对长度 248.7312。

最后根据得到的数据 与工艺参数进行了对比分析。

表 2 焊缝表面成形分类 类型 焊缝正面形貌 分类依据Ⅰ焊缝表面光滑，波纹均匀；Ⅱ焊缝表面光滑，波纹比较均匀， 偶尔有驼峰出现；Ⅲ波纹不均匀，有周期性的驼峰出 现；平均熔深（D）=板厚—区域面积/所选长度 X 标尺= 4 - 323990.0985 / 3310 X 2 / 248.7312 - 4= 3.21mm 图 3 平均熔熔深的计算方法2 试验结果与讨论 2.1 激光功率对焊缝表面成形及熔深的影响 研究激光功率对焊缝成形及熔深的影响，所 采用的工艺参数为激光功率 P：2.8kw、3.0kw、 3.2kw、 3.5kw、 3.8kw、 4.0kw， 焊接速度 1.5m/min， 送丝速度 1.5m/min，保护气体流量 16.7L/min。

焊缝表面成形及分类见表 3 所示，在此种焊 接参数下，激光功率小于 3.5kw 时都获得了表面 光滑、 波纹均匀的Ⅰ类焊缝； 激光功率继续增加， 焊缝表面成形变为Ⅱ类， 相对Ⅰ类焊缝成形变差， 但也没有裂纹、未填充、咬边、驼峰等明显缺陷 的出现。

这说明，当激光功率在一定范围内变化 时，增加激光功率时，焊接过程能够保持稳定， 可以得到成形良好的焊缝；当激光功率超过某一 范围，变得过大时，激光对试板的线能量增大， 焊接过程变得不稳定，对于焊缝形成会造成不好 的影响；但相对于激光自熔焊接，采用激光填丝 焊接，当功率在大范围变动时，未出现明显的表 面缺陷，焊缝表面饱满、波纹均匀，成形良好。

这说明，激光填丝焊接对激光功率的具有较高的 容忍度， 激光功率对焊缝表面成形具有一定影响， 但影响不大。

焊缝的横截面、纵截面形貌如表 4 中所示， 随着激光功率的增加，总的热输入量的增大，焊 缝的横截面积有增大的趋势；从纵截面中可以看 出，焊缝熔深也有增大的趋势，选取其中合适的 区域，按照上面所述的方法，对焊缝平均熔深进 行了测量与计算，得到的熔深-功率曲线，如图 4 所示。

在功率小于 4.0kw 时， 搭接焊缝均未熔透； 当功率达到 4kw 时，搭接焊缝全部熔透，背面焊 缝成形见表 4，此时焊缝熔深为整个板厚 4mm。

表 3 激光功率对焊缝表面成形的影响 功率 焊缝正面形貌 类型2.8kwⅠ3.0 kwⅠ3.2 kwⅠ3.5 kwⅠ3.8 kwⅡ4.0 kwⅡ表 4 激光功率对焊缝熔深的影响 功率 焊缝横截面形貌 焊缝纵截面形貌2.8kw3.0kw3.2kw3.5kw3.8kw4.0kw图 4 平均熔深-功率曲线 表 5 平均熔深-功率回归分析 回归分析 可决系数 R 标准差 观测值 显著水平 F 0.939575551 0.101220401 5 0.006422003 系数 截距 激光功率（P，kw） -0.446962025 0.869620253去除 4.0kw 功率下的所得到的平均熔深，将 前五组数据用线性回归进行回归分析发现，在 2.8kw、3.0kw、3.2kw、3.5kw、3.8kw 时，平均 熔深与功率的回归数据中，可决系数 R=0.94，说 明有 94%的可能性熔深与功率满足线性关系；显 著水平 F=0.64%<5%，也验证这一线性关系是成 立的，所得到的熔深-功率关系方程为： 2.2 焊接速度对焊缝成形及熔深的影响 采用焊接速度分别为 1.0 m/min、1.5m/min、 2.5 m/min、3.0 m/min，激光功率 3.5kw，送丝速 度 1.5m/min，保护气体流量 16.7L/min，研究焊 接速度对焊缝成形及熔深的影响。

焊缝表面成形 见表 4， 在焊接速度较低时焊缝表面成形为Ⅲ型， 属于较差的成型，有周期性的驼峰出现，说明焊D = 0.87 × P — 0.45 D 为平均熔深（mm） 为激光功率（kw） ，P ， 这说明，在未焊透的情况下，增加激光功率能够 增加熔深，而且焊缝熔深与激光功率满足线性关 系。

当超过这个临界条件，即焊缝被完全焊透， 在重力的作用下背面母材会有下塌，焊缝熔深为 整个试板厚度。

丝熔入焊缝的整个过程并不稳定。

在焊接速度提 高之后，焊缝表面成形有变好的趋势，但当焊接 速度增大时， 单位长度焊缝上熔入的焊丝量减少， 焊缝变窄， 堆高减小， 焊缝表面成形质量也不好。