激光复合焊实践操作的参考结论

激光复合焊是激光焊与弧焊两种工艺的结合焊接工艺，主要用于工业上中厚板材的焊接。对于弧焊来说，达到超过3mm以上熔深需要较大的电流电压，且热影响区较大。在弧焊基础上，结合激光焊工艺，使得激光复合焊工艺具备了高熔深，大熔宽，变形较小的优点。在激光复合焊工艺中，弧焊的主要作用是扩展熔宽，增加板材间的桥接能力，激光焊的作用是加深熔深，稳定焊接过程。本次介绍Al5754铝合金的一个激光-MIG复合焊案例，分析复合焊焊缝的特性及工艺注意事项。

—焊接设置——

△激光束与MIG枪的位置示意图

焊接设置：

母材：Al5754 厚度3mm

保护气：Ar

激光器功率：4kw

焊接光斑大小：0.4mm

焊丝材料：ER5356

机器人焊接速度：3.5m/min

光丝间距：2.5mm

MIG焊枪角度：对地40°

焊接参数设计：

△3x3焊接参数矩阵

参数设计主要是激光功率和焊接电压的匹配，激光功率有三个水平（2500W,3000W，3500W）。电压三个水平（24.5V,26.5V,28V），弧焊焊机一般有专家数据库，所以只设置一个电压，其他参数如电流，送丝速度等会自动匹配。

——焊接结果——

焊缝尺寸

  △焊接尺寸及尺寸定义图

由焊缝尺寸结果可以，激光功率为2500W时，S1,S2均没有背透，S3有背透是由于增加了MIG焊的电压及电流。Crown width可以看出是跟电压电流值成正比的关系，说明MIG焊的参数对焊缝宽度影响更为显著。

△气孔分布

9个样件里都含有了不少的气孔，结合相关的研究推测，大气孔生成的主要原因是焊接过程的不稳定，熔池里的气体未逃逸出去，造成不规则的大气孔。另外，由于5系金属有大量的Mg元素，Mg元素的蒸发也会使得熔池不稳定。提高激光-MIG焊能量的比率能够稳定电弧，使得熔池更加稳定降低大气孔形成的概率。

小气孔形成的原因主要是混入了氢元素及熔池不稳定，铝合金或空气中夹杂的水汽会使得熔池中的氢难逃出熔池。在焊前对铝合金做清洗处理能够显著降低小气孔生产的概率。

微观组织

△微观组织图

通过观察微观组织结构，发现激光key-hole区域的组织比MIG焊区域的组织更加致密，因为激光熔池的冷却速度快于MIG焊熔池。

残余应力

△残余应力数值

通过统计数值能够很明显看出，随着熔深的增加，残余应力值是显著下降的，说明在MIG焊熔池区域残余应力较大，MIG焊对残余应力的影响显著，因此更低的电压和电流有助于降低焊缝的残余应力。

焊缝硬度

△硬度分布

从图上的曲线可以看出，MIG焊区域的硬度呈“双峰”状，这个区域的硬度大于母材的原因是由于焊丝材料的添加。激光key-hole区域硬度呈“尖峰状”，最高点的硬度比母材高20HV。

拉伸强度

△拉伸强度统计

从拉伸强度来看，S4组的拉伸强度能够达到母材的80%以上（210MPa），S1和S2组拉力强度低是由于未焊透且含有9个样件中最高的气孔率，导致整体的拉力强度下降。

——结论——

总体来说，所有样件焊缝的质量并不是很完美，但是通过一系列的测试研究，5系铝合金的复合焊焊缝的性能基本让读者有个全面的了解。可参考的结论如下：

1、激光-弧焊能量比率提高有利于焊缝的稳定；

2、避免气孔的方法需要注意控制氢的来源，提升电弧的稳定性；

3、弧焊区域的组织比激光keyhole区域更加粗糙；

4、弧焊的能量对焊缝组织的残余应力有显著的影响；

5、焊缝组织硬度的分布规律；

6、焊缝的拉伸强度可以达到母材的80%；

7、激光功率3000W，弧焊电压24.5V，电流114A是这次研究中较好的参数组，可以作为参考，但仍需要优化。