张 瑜

（江苏联合职业技术学院无锡交通分院，无锡 214000）

目前，人们对汽车相关的加工技术提出了更高的技术要求，需要更高效、高质量的焊接技术与其匹配。针对焊接加工中存在的耦合、气孔、焊缝成形以及接头强度等实际问题，需要合理采用激光-熔化极惰性气体（Metal Inert-Gas，MIG）复合焊技术，并从焊接速度等角度优化焊接技术克服。

1 激光-MIG复合焊接技术的相关概念

1.1 与单独激光焊、电弧焊间的区别

近年激光技术发展迅速，大幅降低了激光器成本，使得激光焊接、电弧焊接等得到了广泛研究，并逐渐应用于航空航天、装备制造以及汽车制造等领域。激光电弧复合焊有很多种类，包括CO2激光焊与非熔化极气体保护焊（Tungsten Inert Gas，TIG）电弧焊的复合技术、YAG激光焊与MIG电弧焊的复合技术、YAG激光焊与等离子电弧焊的复合技术等。激光-MIG电弧的复合焊接技术是一种复杂的激光电弧复合焊，在汽车加工中应用范围最广、潜力最大。

激光-MIG复合焊接的实践应用证明，该技术应用范围广且焊接质量高。在焊接质量方面，该技术焊接质量大于单独激光焊接的质量或单独MIG电弧焊的质量。这是由于汽车车身工件装配对焊接间隙要求高，单独的激光焊或MIG电弧焊均存在较大局限性[1]。

单独激光焊接的局限性体现在激光束直径小，热作用区域窄，难以满足焊接间隙的要求。加工车身时，单独激光焊接中激光光束难以满足要求，导致加工反射率或导热系数较高的车身材料时容易发生裂纹、气孔以及焊缝成型差等问题。

单独MIG电弧焊局限性体现在其单道焊缝熔池较浅，加工厚板多层车身钢材时难以深入底部，容易造成侧壁引弧、坡口宽度等问题。另外，应用该技术焊接车身材料时，虽然热输入大，但难以控制热影响区，易形成裂纹。

激光-MIG复合焊利用激光形成的等离子体与电弧进行耦合，因两者间存在电、磁相互作用进行焊接，能一定程度避免以上的焊接问题。一方面，激光等离子体与电弧相遇后能形成带电粒子的导电通道，从而使激光等离子体的带电粒子与金属蒸汽进入电弧，使等离子体电子密度大幅减小，以减少对激光能量的反射、散射与吸收，提高了激光能量利用率。另一方面，由于激光等离子体能为电弧提供非常稳定的斑点，引导电弧向该斑点偏移，提高了耦合电弧的温度与电离度，从而提高了电弧焊接的稳定性。

1.2 激光-MIG的复合焊接技术的加工特点

激光-MIG的复合焊接技术涉及焊接熔滴过渡，耦合过程复杂，耦合不好会使熔滴受力大小与方向出现变化，导致激光与电弧的间距太大或电弧轴线和焊丝轴线间的夹角过大，导致沿焊丝方向的促使熔滴过渡更快，发生的合力大幅降低，出现不稳定熔滴形式。因此，需要考虑耦合对熔滴受力和过渡形式的作用。

另外，焊丝末端熔化产生的液体金属会在重力、电磁力、张力以及等离子流力等力的作用下出现脱离进入熔池出现熔滴过渡。为使熔滴沿焊丝轴脱落，需保证与焊丝方向平行的使熔滴过渡的力大于阻碍该过程发生的合力。

1.3 激光-MIG复合焊接的技术优势

相比单一激光焊接或单一电弧焊接技术，激光-MIG复合焊接的优势主要体现在其良好的搭桥能力和高导热系数，能适应车身焊接中较大焊接间隙与小电流稳定焊接的需求。该技术焊接速度较快，热输入小，易于控制焊接热影响区。基于熔池凝固速度慢的特性，它能有效清除加工位置的气孔、裂纹等缺陷。

1.4 激光-MIG复合焊接的关键参数

1.4.1 保护气体

常用的保护气体有He、Ar及二者的混合气体。保护气体不同，电离能也不同，所得等离子体大小也不同。使用He气会形成体积小的等离子体，有利于母材吸收激光能量。但是，熔滴过渡会较复杂，易出现严重焊接飞溅。使用Ar气会形成大体积等离子体，不适用于窄间隙坡口的焊接。使用He与Ar混合气体，焊接车身时过程更可控、更稳定，且具备较高的能量利用率[2]。

1.4.2 激光功率

激光功率对熔深、焊接效率等具有重要影响。在进行车身单道熔透焊接时，为提高效率，会选择大功率激光以充分发挥激光的密度优势。在进行非熔透焊接时，需合理控制激光功率。这是由于加工时激光引导电弧进入坡口底部进行窄间隙焊接，激光功率过大会使激光匙孔不稳定，在匙孔闭合后会有一些气泡无法逸出形成气孔，而功率过小则无法保证焊接深度。

1.4.3 激光与电弧的间距

激光与电弧的间距即等离子体与电弧间的耦合参数，会对焊接的稳定性产生影响。二者间距过小时，激光匙孔喷出的蒸汽形成的反作用力会阻碍熔滴过渡出现较大飞溅。二者间距过大，会因二者间过强的相互作用导致电弧沿焊丝方向发生弯曲，减小电磁力、等离子流力沿焊丝方向的作用力，不断增大熔滴，最终使二者分离[3]。

可见，激光-MIG复合焊作为新型焊接技术虽然具备许多优点，但要想真正实现高效率、高质量的焊接，还需要根据具体的加工环境合理调整工艺参数。

2 焊接速度在车身激光-MIG复合焊接过程中的影响试验

2.1 试验材料

研究选择的激光器型号为IPGYLS-4000，激光波长为1.07 μm，光斑直径为200 μm，最大功率为4 kW。采用的脉冲焊机型号为KEMPPIKempArc-450，复合焊接采用旁轴复合方式，激光在前作为电弧的引导，光丝间距为3 mm，采用He、Ar混合保护气体。试验所用的加工材料为常用于高速列车车身制造的6N01型铝合金材，热处理状态是T5。试验采用的试板长、宽、高分别为300 mm、150 mm、3 mm。平板对接焊要求无预留间隙，采用焊丝为直径1.2 mm的铝合金焊丝。焊接前，利用机械对试样材料表面进行打磨，再用无水乙醇进行擦拭，去除材料的氧化膜和油污。

2.2 试验过程

先进行单独的激光焊接试验，在选择出合适激光功率的基础上加快焊接速度，以保证材料能够充分焊透，不出现未熔合、未焊透等问题[4]。根据接头熔透的具体情况调整焊接速度区，确定相关参数并进行复合焊接。最后，进行焊后分析，包括探伤、观察接头形貌与金相组织、测试接头各区域硬度等内容。

2.3 试验结果与分析

试验选择材料、尺寸等参数相同但速度不同的两种复合焊接头进行对比试验。试验分析时，利用显微镜观察焊缝成形情况。图1为高速焊头与低速焊头加工的焊缝表面的形貌图。可以发现：低速复合接头的表面呈明显鱼鳞纹，成形较好，焊缝周边只有极少小尺寸焊瘤，接头横截面熔化的区域较大，两侧熔合线近乎平行；高速复合焊的焊道更平直，周边母材的表面更平滑，没有明显飞溅，接头横截面为酒杯型，且没有咬边、驼峰等焊接缺陷[5]。

利用X射线探伤设备进行探伤，图2为焊缝X射线探伤结果。可见，低速复合焊的焊缝存在较大气孔，高速复合焊的焊缝内存在小尺寸气孔，但高速复合焊孔密集度较前者更大。这是由于低速焊接时热输入较大，使熔池存在较长时间，导致气泡上浮时聚集变大且来不及逸出。高速焊接的熔池体积小、边缘温度差异大，小气泡聚集前熔池已凝固。

图1 焊缝表面形貌

图2 焊缝探伤图

虽然低速焊、高速焊的焊缝组织都由固溶体与共晶组织构成，柱状晶形态均为靠近熔合线侧的因温度差而形成的晶体形态，但是基于激光-MIG焊使用填充焊丝的技术特性和柱状晶体具有强方向性的特征，焊缝成分会与加工母材存在金相组织上的差异。焊接速度不同时，因热输入情况不同，金相组织会呈现不同的细密程度，同样热影响区也存在差异。试验利用显微镜、扫描镜等设备观察金相组织，分析热影响区。金相组织防线方面，高速焊的焊缝组织更细密，低速焊的焊缝组织较粗大。热影响区方面，基于焊接热循环的影响，低速焊较高速焊热影响区块状析出物的尺寸更大，弥散分布中点状强化相对更少，有利于降低热影响区沉淀效果[6]。

使用硬度仪等设备和MATLAB软件分析接头硬度分布情况。根据维氏硬度测量技术测量各接头区域硬度值，得到垂直焊缝方向上的硬度分布情况，如图3所示。填充的焊丝硬度低于加工母材硬度时，两种工艺中焊缝硬度均低于母材硬度，且二者焊缝中心位置的硬度差异不大。但相比低速焊，高速焊的单侧热影响区的宽度明显更小。

图3 接头硬度分布图

根据图3中不同距离的硬度值可发现，随着距离焊接焊缝中心距离的增加，热影响区的硬度呈现先减小后增大的变化，表明焊接过程中焊缝垂直区域出现了较大的温度梯度。这是由于靠近焊接位置的母材会因高温发生溶解，快速冷却时形成过饱和的固溶体，而在随后的自然时效中，母材中的镁、硅等原子发生偏聚，使得该区域材料硬度远高于焊缝。但是，距离焊缝中心较远的热影响区，因温度较低，材料难以充分溶解，无法聚集粗化，最终导致该区域硬度下降。

3 结语

文章在研究激光-MIG焊接技术相关概念的基础上，针对6N01这一铝合金材料，从焊接速度参数的变化方面探究了激光-MIG复合焊接的实际应用效果。试验发现，在保证焊缝熔透的基础上，采用较高的焊接速度能使焊缝起弧端内气孔的尺寸更小，获得更好的焊缝形貌。高速复合焊有利于减少焊接出现咬边、飞溅以及裂纹等缺陷，且焊接变形较小，焊缝周围能获得较高的硬度。