光纖激光-MIG復(fù)合焊接中厚板鋁合金組織特征

胡佩佩，王春明，胡席遠(yuǎn)

(華中科技大學(xué)材料學(xué)院，湖北武漢430074)

光纖激光-MIG復(fù)合焊接中厚板鋁合金組織特征

胡佩佩，王春明，胡席遠(yuǎn)

(華中科技大學(xué)材料學(xué)院，湖北武漢430074)

研究了光纖激光－MIG復(fù)合焊接中厚板鋁合金的焊縫組織。結(jié)果表明，光纖激光－MIG復(fù)合焊接可一次焊透8 mm厚鑄造鋁合金ZL114，焊縫中沒(méi)有大的工藝氣孔，也無(wú)熱裂紋，但出現(xiàn)較多的冶金氣孔。焊縫主要由α(Al)和Al－Si共晶組成，焊縫上部、中部和下部組織變化不明顯，焊縫沒(méi)有分層現(xiàn)象。焊縫較熱影響區(qū)和母材組織細(xì)密，焊縫和熱影響區(qū)的共晶組織類似，但焊縫和母材共晶組織明顯不同，體現(xiàn)在共晶形態(tài)和Si含量的不同，但母材的共晶組織在一定的熱循環(huán)條件下，可以轉(zhuǎn)變?yōu)榕c焊縫類似的共晶組織，伴隨的是枝晶數(shù)量的減少，枝晶在母材和焊縫中都占絕大部分。

光纖激光；激光－MIG；復(fù)合焊接；組織特征

0 前言

鋁及其合金以較高的比強(qiáng)度和相對(duì)低廉的制造和使用成本而廣泛應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域。在世界性能源危機(jī)的情況下，高強(qiáng)鋁合金在結(jié)構(gòu)材料中所占的比例大大增加，是新一代高速列車、轎車的理想材料，將帶來(lái)明顯的結(jié)構(gòu)輕型化，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。文獻(xiàn)[2]研究表明，CO2激光－MIG復(fù)合焊接高強(qiáng)鋁合金2519－T87的效率是MIG焊的五倍；焊接熔深更大，接頭的抗拉強(qiáng)度也提高到母材的70%以上，而MIG焊接頭抗拉強(qiáng)度僅為母材的60%。由于復(fù)合焊的熱輸入比較小，而且熔池中熔融金屬的流動(dòng)情況和溫度梯度與MIG焊有很大不同，復(fù)合焊的焊縫組織較MIG焊的更加細(xì)小，接頭處也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)MIG焊接頭中出現(xiàn)的等軸晶區(qū)。文獻(xiàn)[3]研究表明，采用YAG激光－MIG復(fù)合焊接鑄造鋁合金ZL114A，焊縫金屬組織普遍比鑄造組織細(xì)小。

以上研究表明，激光－MIG復(fù)合焊接具有明顯優(yōu)于單MIG的焊接工藝性能。但需要指出的是，由于現(xiàn)有的CO2激光或者YAG激光焊接鋁合金時(shí)的穿透能力有限，目前在中厚板和大厚板鋁合金的焊接過(guò)程中普遍采用多層焊接，這會(huì)相對(duì)地增加焊接熱輸入，也使焊縫組織形貌變得更加復(fù)雜。如果能夠一次焊透焊縫，不僅可以減少焊接熱輸入，細(xì)化焊縫組織，焊縫區(qū)和母材區(qū)的過(guò)渡也會(huì)更加合理。所以在此研究了光纖激光－MIG復(fù)合焊接技術(shù)在一次焊透8 mm厚鑄造鋁合金ZL114時(shí)的焊縫組織特性。熔透成形，采用MIG－Laser復(fù)合方式。采用純Ar作為保護(hù)氣體，從MIG焊槍輸出。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

激光－MIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)采用IPG YLR－4000光纖激光器，最大輸出功率4 kW，激光通過(guò)光纖傳輸經(jīng)復(fù)合焊接頭聚焦，傳導(dǎo)光纖的芯徑為0.3 mm，焦長(zhǎng)250 mm；MIG弧焊電源為Fronius TPS4000逆變電源。激光和MIG焊槍旁軸復(fù)合而成，如圖1所示，電弧傾角α＝75°，光絲間距DLA＝4 mm。復(fù)合焊接方向分為電弧在前的MIG－Laser和激光在前的Laser－MIG兩種復(fù)合方式，而MIG－Laser方式的焊縫熔深大于Laser－MIG[4]，為了實(shí)現(xiàn)焊縫的一次

圖1 激光－MIG復(fù)合焊接示意

實(shí)驗(yàn)用母材為8 mm厚鑄造鋁合金ZL114，尺寸為100 mm×50 mm×8 mm，對(duì)接復(fù)合焊接時(shí)，焊縫未開(kāi)坡口。母材焊前用丙酮擦拭除油并經(jīng)化學(xué)清洗烘干，焊絲為ER4047鋁合金焊絲，直徑φ 1.2 mm；母材和焊絲化學(xué)成分如表2所示。

表2 母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

根據(jù)GB2651－89焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)方法制作拉伸試樣，采用WDW－Y100E電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊縫的拉伸力學(xué)性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫熱影響區(qū)組織分析

光纖激光－MIG電弧復(fù)合焊接一次焊透8 mm厚鑄造鋁合金ZL114時(shí)的焊縫典型形貌如圖2所示。工藝參數(shù)為：激光功率P＝4 kW，電弧電流I＝140 A，焊接速度v＝1 m／min，離焦量f＝－4 mm。焊縫形貌呈“酒杯”形，上部寬大，下部相對(duì)窄小。

圖2 光纖激光－MIG復(fù)合焊接典型焊縫形貌

焊縫和母材過(guò)渡區(qū)域的金相照片如圖3所示。和普通電弧焊類似，焊縫具有明顯不同的三個(gè)區(qū)域，分別為焊縫區(qū)(WB)、焊縫熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)。根據(jù)圖3中的標(biāo)尺，熱影響區(qū)的寬度約為150 μ m，比電弧焊窄，所以熱影響區(qū)幾乎沒(méi)有進(jìn)一步的細(xì)分結(jié)構(gòu)。由于焊縫結(jié)晶速度快，晶粒細(xì)小，熔合線沒(méi)有明顯的聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象，但熔合線不規(guī)則，這是因?yàn)槟覆木ЯＳ胁煌奈幌?，所以焊接熱循環(huán)時(shí)，晶粒融化速度不同，進(jìn)而形成了不規(guī)則的熔合線走向[1]。這三個(gè)區(qū)域的組織都由枝晶和枝晶間共晶組成，但焊縫區(qū)組織細(xì)小，焊縫熱影響區(qū)和母材相對(duì)粗大。

對(duì)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)組織進(jìn)一步觀察，如圖4所示。分析表明，焊縫區(qū)的共晶組織和熱影響區(qū)的共晶組織形態(tài)區(qū)別不明顯，但分布不同，焊縫區(qū)的共晶組織呈網(wǎng)狀分布，且尺寸與枝晶相當(dāng)；而熱影響區(qū)的共晶組織分布呈現(xiàn)塊狀和網(wǎng)狀的混合形態(tài)，且尺寸明顯小于共晶間的枝晶。

雖然焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的共晶組織形態(tài)區(qū)別不明顯，但它們與母材的共晶組織區(qū)別較大，如圖5所示。焊縫區(qū)、熱影響區(qū)共晶組織呈塊狀或網(wǎng)狀，而母材共晶組織為棒狀或粒狀。計(jì)算表明，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材的共晶組織占所在組織橫截面積的比例依次減少，而枝晶所占比例則依次增加，呈現(xiàn)明顯的梯度分布。需要指出的是三個(gè)區(qū)都是枝晶數(shù)量占主要部分。

針對(duì)焊縫區(qū)和母材區(qū)的共晶組織的明顯區(qū)別，采用能譜儀(EDS)進(jìn)行了分析，如圖6和圖7所示。共晶組織的能譜分析表明，焊縫和母材的共晶組織都主要由Al、Mg、Si三種化學(xué)成分組成，但各成分所占的比例明顯不同。焊縫和母材的共晶組織最大區(qū)別就是Al和Si的質(zhì)量比和原子數(shù)比例幾乎正好相反，即焊縫共晶組織Al占大部分(約78%)，而母材共晶組織Si占大部分(約85%)。焊縫和母材的枝晶組織的成分組成和比例區(qū)別都不明顯。

以上分析表明：一方面，母材和焊縫的共晶組織形態(tài)明顯不同，表現(xiàn)為Al和Si所占的比例相差很大；另一方面，焊縫和熱影響區(qū)的共晶組織形態(tài)基本類似。而熱影響區(qū)是母材經(jīng)過(guò)復(fù)合焊接熱循環(huán)發(fā)生相變以后的組織。這表明母材和焊縫的共晶組織雖然形態(tài)和Si含量不同，但母材共晶組織通過(guò)一定的焊接熱循環(huán)可以轉(zhuǎn)變?yōu)榕c焊縫類似的共晶組織，但這個(gè)過(guò)程伴隨的是枝晶數(shù)量的減少。

圖3 焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的過(guò)渡連接區(qū)域組織形貌

圖4 焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的掃描電鏡(SEM)形貌

圖5 焊縫區(qū)和母材區(qū)的掃描電鏡(SEM)組織形貌

2.2 焊縫組織分析

圖6 焊縫區(qū)和母材區(qū)共晶組織的能譜儀(EDS)分析

圖7 焊縫區(qū)和母材區(qū)的枝晶組織能譜儀(EDS)分析

雖然采用光纖激光－MIG復(fù)合焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了8 mm鑄造鋁合金的一次成形，但焊縫組織在焊縫厚度方向上是否是一致連續(xù)的，需要進(jìn)行分析。在此進(jìn)行了焊縫厚度方向上的組織分析，圖8為焊縫沿厚度方向的金相組織照片和掃描電鏡照片，可以看出，焊縫組織在厚度方向上的組織區(qū)別不明顯。這是因?yàn)樵诩す猓娀?fù)合焊接過(guò)程中，有一股強(qiáng)烈的電磁對(duì)流，從激光小孔尖端開(kāi)始，沿著熔池底部快速流向熔池后部[5]。激光小孔尖端為熔池底部，熔池的最后部即為焊縫上部。這種對(duì)流強(qiáng)化了焊縫上下部的物質(zhì)交流，有利于焊縫成分的均勻化。另一方面，鑄造鋁合金ZL114的主要成分為Al、Si和Mg，它們相對(duì)原子量比較接近，這可以減輕因重力作用而產(chǎn)生的密度流，也有利于焊縫的成分均勻化。

圖8 焊縫沿厚度方向的組織變化

2.3 焊縫缺陷觀察

激光－MIG復(fù)合焊接接頭組織細(xì)密，未發(fā)現(xiàn)熱裂紋，但是存在尺寸較小的氣孔，如圖9所示。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，ZL114鋁合金母材本身存在數(shù)量較多的縮松、氣孔等鑄造缺陷，如圖10所示。

圖9 接頭氣孔金相照片

對(duì)接頭氣孔形貌特征進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，氣孔形貌較為規(guī)則，近似球形，且內(nèi)壁能夠觀察到液態(tài)金屬結(jié)晶過(guò)程中留下的枝晶形貌，如圖11所示。分析發(fā)現(xiàn)，氣孔的形成原因有兩個(gè)，一是ZL114母材原始夾雜及孔隙(見(jiàn)圖10)在激光－MIG復(fù)合焊接過(guò)程中釋放導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。另一個(gè)原因是焊接過(guò)程在熔池冷卻過(guò)程中，熔池中氫來(lái)不及逸出而形成小的冶金氣孔。

圖10 ZL114原始母材金相照片

圖11 接頭氣孔的高倍掃描電鏡(SEM)形貌

3 結(jié)論

(1)光纖激光－MIG復(fù)合焊接具有較強(qiáng)的焊縫穿透能力，可以實(shí)現(xiàn)8 mm中等厚度的鋁合金的一次成形，焊縫中沒(méi)有大的工藝氣孔，沒(méi)有出現(xiàn)熱裂紋，但出現(xiàn)大量的工藝氣孔。

(2)焊縫上部、中部和底部都由枝晶和枝晶間共晶組成，組織分布均勻。焊縫和熱影響區(qū)的共晶組織類似，焊縫和母材的共晶組織在形態(tài)和Al與Si的組成比例都差別巨大，但在一定的熱循環(huán)條件下，母材的共晶組織可以轉(zhuǎn)變成和焊縫類似的共晶，伴隨的是枝晶數(shù)量的減少，枝晶在母材和焊縫等區(qū)中都占絕大部分。

[1]陳鎧，楊武雄，肖榮詩(shī)，等.幾種高強(qiáng)鋁合金的激光填粉焊接[J].應(yīng)用激光，2005，25(4)：222－226.

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Microstructure features of medium thickness aluminum alloy with fiber laser－MIG hybrid welding

HU Pei-pei，WANG Chun-ming，HU Xi-yuan
(School of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Bead microstructure was investigated medium thickness aluminum alloy with fiber laser－MIG hybrid welding，the results showed that fiber laser－MIG hybrid welding could penetrate 8mm foundry aluminum alloy ZL114 by one scan and there were no big process porosity，nor hot cracking，but many metallurgical porosities in the bead.The bead mainly comprised α(Al)and Al－Si eutectic，the microstructure was similar through upper，medium and bottom parts，no stratification was confirmed.The microstructure was smaller than that of heat affected zone(HAZ)and the eutectic between them was similar though it was obviously different between base material and bead reflected in the differences of eutectic profiles and Si content，but the eutectic in base material could transfer into eutectic similar to that in the bead by special heat recycle with the reduction of dendrite quantity while dendrite still domain the base material and the bead microstructure.

fiber laser；laser－MIG；hybrid welding；microstructure

book=42,ebook=354

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0042－06

2010－10－12

胡佩佩(1986—)，男，湖北廣水人，碩士，主要從事激光電弧復(fù)合焊方面的研究工作。