分享：６０６１铝合金激光填丝焊接接头的组织与力学性能

姜亦帅１,杨尚磊１,２,王 妍１,杨智华１

(上海工程技术大学１．材料工程学院;２．上海市高强激光智能加工装备关键技术产学研开发中心,上海２０１６２０)

摘 要:通过显微硬度计、拉伸试验机、扫描电镜和 X射线衍射仪等研究了激光填丝焊接６mm厚６０６１铝合金接头的显微组织和力学性能.结果表明:焊缝中心区域的显微组织为等轴晶,由αＧAl固溶体组成,无β(Mg２Si)强化相析出,近熔合区的焊缝组织为柱状晶;焊接接头焊缝的硬度最低,约为７３HV,母材的硬度最高,约为１１０HV,随着距焊缝中心距离的增大,热影响区的硬度先呈波浪式增大,在距焊缝中心２．２~３．８ mm 处有所下降,此外为热影响区软化区,在距焊缝中心

３．８~４．４mm 处又快速增大;焊接接头的抗拉强度为２３４ MPa,约为母材的７１％,高于熔化极惰性气体保护焊接接头的;焊接接头均在焊缝处断裂,接头与母材均为韧性断裂.

关键词:铝合金;激光焊接;显微组织;力学性能

中图分类号:TG１４６．２ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０３Ｇ００５２Ｇ０５

０ 引 言

     铝合金具有密度小、比强度高、塑性成型性好、焊接性能优良等优点,被广泛应用于造船、高铁、汽车制造、航空航天等领域[１Ｇ５].６０６１铝合金属于 AlＧMgＧSi系铝合金,其主要强化相为β(Mg２Si)相,在高铁列车车身结构件中得到大量应用.目前,铝合金的焊接方法有熔化极惰性气体保护(MIG)焊、钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊、激光电弧复合焊等[６Ｇ１０],其中 MIG 焊的应用范围最广,但该焊接工艺的焊接热输入大、焊接速度低,导致焊接热影响区宽,同时焊接过程中镁、硅等合金元素的蒸发使β强化相的数量减少,导致焊接接头的强度明显低于母材的.因此,开发一种新的铝合金焊接工艺对高速列车的快速发展和长期安全运行具有重要意义[１１Ｇ１２].

    激光焊接是以激光束作为热源、对热输入可精确控制的一种精密高效的焊接方法.由于激光功率密度高,加热集中,因此激光焊接具有焊接热输入小、焊接热影响区窄、焊接工件变形小等优点.另外,激光焊接过程的加热和冷却速率都很大,这可显著提高液态金属的结晶速率,从而获得晶粒细小的焊缝组织和力学性能优良的焊接接头[１３Ｇ１４].激光填丝焊接术作为一种激光焊接方法,可以降低焊缝表面粗糙度,避免凹陷、咬边等焊接缺陷,保证焊缝成型均匀连续,而且通过加入焊丝可以调节焊缝的成分和组织、补充合金元素,从而达到防止热裂纹产生和提高接头强度的目的.但目前对６０６１铝合

金的激光填丝焊接工艺及其接头组织性能的研究比较少.为此,作者对６０６１铝合金进行了激光填丝焊接,研究了焊接接头的显微组织和力学性能,并与MIG 焊接接头的进行了对比.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

    试验材料为６ mm 厚６０６１铝合金,T６态,其抗拉强度为３３２ MPa,伸长率为５％.焊丝为直径１．２mm 的 ER４０４３焊丝.６０６１铝合金和 ER４０４３焊丝的化学成分如表１所示.

    焊 接 试 样 的 尺 寸 均 为 １００ mm×５０ mm×mm,激光填丝焊坡口类型为I型,MIG 焊坡口类型为 Y 型,钝边为２mm,坡口角度为３０°.用酒精或丙酮等有机溶剂通过超声波去除表面油污,然后把试样放入质量分数为５％~１０％NaOH 溶液中,在４０~６０ ℃的水浴中加热５min,取出后放入质量分数为３０％HNO３ 溶液中进行中和光化处理,直到铝合金表面露出明亮的金属光泽,用流动清水清洗,干燥.采用 YLSＧ５０００型光纤激光器搭载于 KUKA 机器人上对６０６１铝合金进行激光填丝焊接,激光器的最大输出功率为５kW,输出波长为１．０６μm,传输光纤的芯径为２００μm,聚焦的光束直径为０．２５mm,透射式聚焦镜焦距为２５０mm,准直镜焦距为２００mm.

    焊接时 采 用 氩 气 为 保 护 气 体,气 体 流 量 为 １６L??min－１,激光功率４kW,进丝速度３m??min－１,焊接速度分别为１．０,１．５,２．０m??min－１.作为对比试验,采用 KemparcPulse４５０ 型焊接机器人进行 MIG焊接,焊接电流２４０A,焊接电压为２５V,焊接速度为０．５m??min－１,送丝速度为５ m??min－１.焊接接头均采用坡口对接单面成型形式.

１．２ 试验方法

    在垂直于焊缝方向的焊接接头上截取金相试样,经机械 研 磨、抛 光 和 腐 蚀 (腐 蚀 剂 为 质 量 分 数０．５％ HF水溶液,腐蚀时间为３０s)后,用S３４００型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织,使用附带的EDAXＧGENESIS型能谱仪(EDS)进行微区成分分析.利用 X′pertPRO 型 X射线衍射仪(XRD)进行物相分析,采用铜靶,电压４０kV,电流４０mA,扫描速率为２(°)??min－１,扫描范围１０°~８０°.采用 HVＧ１０００型维氏硬度计测接头的显微硬度,加载载荷为９．８N,加载时间为１５s.按照 GB/T２６５１－２００８,分别在接头上以焊缝为中心和在母材上截取尺寸如图 １ 所示的拉伸试样,在IBTCＧ３００型材料试验机上进行拉伸试验,加载速率为３MPa??s－１,然后用S３４００型扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌.

２ 试验结果与讨论

２．１ 焊缝的表面形貌

    由图２可以看出:在３种焊接速度下,焊接接头都均匀连续,焊缝区窄小,无裂纹、气孔等缺陷;随着焊接速度的提高,焊缝的余高逐渐减小,在１．０m??min－１的焊接速度下,焊缝存在余高,在１．５m??min－１的焊接速度下,焊缝表面较平整,而在２．０m??min－１的焊接速度下,焊缝存在较大凹陷.由此可见,对于厚６mm的６０６１ＧT６铝合金,在进丝速度为３m??min－１的情况下,焊接速度为１．５m??min－１时,其焊缝成形良好.

２．２ 显微组织

    由图３(a)~(b)可知,焊缝区(WM)中心显微组织为等轴状铸态组织.这是因为熔池中心区域的温度梯度很小,成分过冷区域很宽,且熔池内存在未熔化的固态质点,这些质点为焊缝金属的结晶提供形核表面,同时内部晶粒所处环境相同,从而导致焊缝中心区域自由生长为等轴晶[１５].

由图３(c)可知,靠近熔合区(FZ)的焊缝显微组织为柱状晶.这是因为在晶体从熔池边缘逐渐向焊缝中心长大的过程中,溶质浓度逐渐升高,结晶速率逐渐变大,熔池边缘固/液界面前沿的液相温度梯度较大,形成较小的成分过冷,结晶平面上形成许多相互平行的束状芽孢,并伸入到过冷的液相中,从而形成相互平行的胞状亚晶,当晶粒长大方向与熔池最大温度 梯 度 方 向 一 致 时,晶 粒 优 先 长 大,形 成 柱状晶[１６].

由图３(d)可知:靠近熔合线热影响区(HAZ)的晶粒粗大,表面存在一些在腐蚀过程中形成的腐蚀点;熔合区的显微组织为柱状晶;熔合区是母材与焊缝之间的过渡区,宽度很窄,约为５０μm,可分为母材晶粒局部熔化的半熔化区和熔化母材与填充金属未混熔的未混合区.熔合区的化学成分与组织形态存在严重不均匀性,导致熔合区内易发生偏析物聚集,晶界液 化,因 而 易 产 生 气 孔、沿 晶 裂 纹 等 焊 接缺陷[１７].

由图４和表２可知:焊接接头主要由αＧAl固溶体组成,未发现强化相β(Mg２Si);焊缝中虽然存在镁、硅等合金元素,但由于铝合金的导热系数大,冷却速率快,抑制了强化相β(Mg２Si)的析出.

２．３ 显微硬度

    由图６可知:６０６１铝合金焊接接头焊缝区的硬度最低,约为７３ HV;热影响区的硬度随着距焊缝中心距离 的 增 大 先 呈 波 浪 式 增 大,在 距 焊 缝 中 心２．２~３．８mm 处有所下降,该区域为热影响区软化区,在距焊缝中心３．８~４．４mm 处显微硬度又快速增大;母材(BM)的硬度最大,约为１１０ HV.由于激光焊接的热输入比 MIG 的热输入小得多,因此激

光焊接接头热影响区的宽度比 MIG 热影响区的窄很多[１８].

    焊接接头热影响区中的强化相在焊接热循环的作用下全部或大部分溶于固溶体中,由于焊后冷却速率较大,强化相来不及析出而形成过饱和固溶体,其中的镁、硅原子发生扩散、偏聚,形成与αＧAl共格或半共格的溶质原子团聚区(GP区).由于镁、硅原子与铝原子的尺寸不同,基体产生严重的点阵畸变,并使点阵常数发生变化,位错运动受到阻碍,从而使合金的硬度提高.当镁、硅原子产生富集并按照一定的顺序排列时,便形成中间过渡相β″,由于β″相仍与母相αＧAl保持共格关系,其周围基体产生更严重的弹性畸变,对位错运动的阻碍作用更大,此时强化效果达到最大,从而使热影响区的显微硬度明显高于焊缝区的,但由于热影响区的自然时效效果不如人工时效效果好,因此热影响区的显微硬度低于母材的[１９].

２．４ 拉伸性能

    由试验结果可知,６０６１铝合金激光填丝焊接接头 和 MIG 焊 接 接 头 的 抗 拉 强 度 分 别 为 ２３４,２１６MPa,为母材的７６．７％和６５．３％,断后伸长率分别为３．０％,３．８％.由于激光填丝焊接采用小坡口和窄间隙的接头形式,从而形成硬Ｇ软Ｇ硬形式的焊接接头,导致焊接接头的强度比 MIG 焊接接头的大.拉伸试样均在焊缝处断裂,焊缝为焊接接头的薄弱位置.接头的抗拉强度比母材低的主要原因为:一方面,金 属 在 激 光 的 高 温 作 用 下 被 加 热 至 熔 化 态,β(Mg２Si)强 化 相 大 部 分 或 全 部 熔 于 熔 池 中,另 外Mg２Si强化相中的镁元素熔点比较低,在熔化过程中部分镁元素烧损;另一方面,焊接熔池在热循环的作用下形成αＧAl固溶体,但焊缝冷却速率大,会抑制强化相的析出,从而导致接头的抗拉强度低于母材的.

由图７可知:母材的拉伸断口呈典型的等轴韧窝状,为韧性断裂,韧窝大小不一,大韧窝周围分布着小韧窝,韧窝底部存在第二相颗粒,第二相颗粒的分布和尺寸对韧窝的大小有明显的影响,较大的韧窝底部存在较大的第二相颗粒;激光焊接接头断口呈韧窝状,为韧性断裂,但韧窝深度较浅,尺寸较小,不容易产生内颈缩,形成较多的显微空洞[１９].由于接头焊缝处的变形硬化指数较大,因此焊缝的断后伸长率小于母材的.

３ 结 论

    (１)激光填丝焊接６０６１铝合金接头焊缝中心区域的显微组织为等轴晶,由αＧAl固溶体组成,无β(Mg２Si)强化相析出,近熔合区的焊缝组织为柱状晶,靠近熔合线热影响区的晶粒粗大.

    (２)激光填丝焊接接头焊缝区的硬度最低,约为７３HV;母材的硬度最高,约为１１０ HV;热影响区的硬度随着距焊缝中心距离的增大先呈波浪式增大,在距焊缝中心２．２~３．８mm处有所下降,此处为热影响区的软化区,在距焊缝中心３．８~４．４mm 处又快速增大.

(３)激光填丝焊接接头的抗拉强度为２３４MPa,约为母材的７１％,高于 MIG 焊接接头的;焊接接头均在焊缝处断裂,接头和母材的断裂方式均为韧性断裂.

来源：材料与测试网