鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭性能研究

張德芬,王同舉,劉奉麟，楊 陽,李曾珍,譚 蓋,王 松，孫宇良

(1.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610500；2.重慶長安汽車股份有限公司動力研究院,重慶 401120)

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·激光應(yīng)用技術(shù)·

鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭性能研究

張德芬1,王同舉1,劉奉麟1，楊 陽1,李曾珍1,譚 蓋1,王 松1，孫宇良2

(1.西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610500；2.重慶長安汽車股份有限公司動力研究院,重慶 401120)

探討了激光與電弧相互作用后,焊縫中心上部和下部晶粒大小不同的原因,在此基礎(chǔ)上研究了焊接速度的改變對6009鋁合金接頭的微觀組織、拉伸性能、顯微硬度的影響。結(jié)果表明：6009鋁合金激光-MIG焊焊接接頭的抗拉強度和延伸率隨著焊接速度的增加而增加,拉伸試樣的斷裂位置由焊縫區(qū)轉(zhuǎn)移到熱影響區(qū),斷口呈現(xiàn)均勻分布的韌窩形貌,斷裂機制為微孔聚集形斷裂；焊縫中心上部晶粒小于焊縫中心下部,而且尺寸分布均勻。焊縫中心上部的顯微硬度則高于焊縫下部。接頭熱影響區(qū)存在軟化區(qū),寬度為4～6 mm。

復(fù)合焊；顯微組織；拉伸性能；顯微硬度；斷口形貌

1 引 言

汽車的輕量化是汽車發(fā)展的趨勢。近年來,為了進一步減輕車身重量,國外汽車廠商在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中開始采用鋁合金[1]。激光焊接鋼鐵材料具有熱影響區(qū)小、焊接速度快、焊接接頭質(zhì)量好等優(yōu)點[2,3],激光焊接技術(shù)目前在汽車切割、打孔、焊接、打標志、熱處理、快速造型等方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[4],但激光焊接鋁合金時,存在反射率高、搭橋性能差、氣孔等缺點。激光與電弧復(fù)合不僅可以增強鋁合金對激光的吸收效率、降低激光功率,而且對裝配間隙要求降低,并且還能產(chǎn)生額外的能量協(xié)同效應(yīng)[5]。

許良紅[6]等研究表明：激光復(fù)合焊焊接效率是MIG焊的5倍,激光-MIG焊接接頭的抗拉強度達到母材的70%,而MIG焊的只有60%左右。作為一種優(yōu)質(zhì)高效的焊接方法,激光-MIG復(fù)合焊具有廣闊的市場前景,也是當前的一項熱門技術(shù)和研究熱點[7,8]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對激光-電弧復(fù)合焊接工藝的研究及開發(fā)較多[9],但是關(guān)于復(fù)合焊接接頭微觀組織的系統(tǒng)研究還鮮有報道。而焊接速度關(guān)系到焊接生產(chǎn)效率,所以研究焊接速度對焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響對激光-電弧復(fù)合焊的推廣應(yīng)用具有重要意義。為此,本文探討激光與MIG電弧復(fù)合焊過程中焊接速度對6009鋁合金接頭的微觀組織、拉伸性能、顯微硬度的影響,為激光-電弧復(fù)合焊工藝在6009鋁合金焊接中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

2 試樣制備與試驗方法

試驗用母材為6009鋁合金,試板尺寸為100 mm×60 mm×6 mm；焊絲為ER5356,焊絲直徑為1.2 mm,母材和焊材化學(xué)成分如表1所示。

表1 6009鋁合金和ER5356焊絲的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Tab.1 chemical composition of 6009 aluminum alloys and ER5356 welding wire(mass，%) %

接頭形式采用平板對接,不開坡口,裝配間隙1.2 mm。 試驗選用額定功率為4 kW的光纖激光器,型號為IPG YLS-4000,輸出波長為1.07 μm。MIG焊選用KEMPPI Pulse-450型焊機,焊接電流的調(diào)節(jié)可通過送絲速度完成。激光-MIG復(fù)合焊時采用激光束前置,MIG焊接電弧在后,激光束與電弧中心間距為3 mm,保護氣體采用純Ar。激光束要與工件表面垂直,MIG焊電弧中心軸向與工件表面呈55°傾角,激光的離焦量為0。激光-MIG復(fù)合焊焊接平臺由光纖激光器、脈沖MIG焊機、ABB機器人、變位機等組成,如圖1所示。

圖1 激光-MIG復(fù)合焊接裝置Fig.1 Installation position of hybrid welding

焊前工作臺、試板、卡具都用丙酮進行擦洗,焊前還要利用刮刀進行機械去除氧化膜,焊后對試板進行自然時效15天處理。

表2是激光-電弧復(fù)合焊工藝性能參數(shù)。

表2 激光復(fù)合焊工藝性能參數(shù)Tab.2 The welding parameters about hybrid welding

焊接接頭的硬度測試試驗是在數(shù)字式顯微硬度計HXD-1000TMB上進行的,焊接接頭橫向硬度取樣是從距離焊縫表面1/2處的焊縫中心水平向焊縫兩側(cè)每隔0.5 mm取點測量,一直延伸到接頭另一側(cè)母材；焊接接頭徑向硬度取樣是從距焊縫中心上表面0.5 mm處垂直焊接接頭上表面每隔0.5 mm取點測量,一直延伸到距離焊縫下表面0.5 mm處,加載載荷為100 g,加載時間為15 s；采用VMD-P300B金相顯微鏡對接頭的組織進行了觀察及分析；在微機控制電子萬能試驗機WDW-1000上對焊后接頭部位做成的拉伸試樣進行縱向拉伸試驗,根據(jù)GB/T228《金屬材料室溫拉伸試驗方法》制取縱向拉伸試樣,試樣尺寸如圖2所示,金相拉伸試樣按照GB/T16865《變形鋁,鎂及其合金加工制品拉伸試驗用試樣》制成；利用EVO/MA15型掃描電鏡進行斷口形貌分析。由于使用通常的金相腐蝕液很難腐蝕出晶界,故金相試樣觀察采用電解拋光加陽極覆膜。電解拋光液的配比是：高氯酸與無水乙醇的體積比是1∶3；陽極覆膜液的配比是硫酸∶磷酸∶水=38 mL∶43 mL∶19 mL。

圖2 拉伸試樣尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen’s size

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 顯微組織

母材組織如圖3所示,拉長的晶粒沿軋制方向分布；圖4為熔合區(qū)組織,由圖可見,該區(qū)由受焊接加熱的母材處開始以柱狀晶的形式向焊縫中心生長,接近焊縫中心部位時轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶,組織形貌變化顯著。

圖3 母材組織Fig.3 Microstructure of parent metal

圖4 熔合區(qū)組織(v=840 mm/min)Fig.4 Microstructure of fusion zone

圖5和圖6分別為焊縫中心上部和下部組織,由圖可見,焊縫中心上部的晶粒尺寸分布均勻,其晶粒尺寸小于焊縫中心下部晶粒。這主要是因為MIG焊的電弧力和熔滴的沖擊力對激光-MIG復(fù)合焊熔池上部金屬產(chǎn)生強烈的機械攪拌作用,使焊接熔池的傳熱、傳質(zhì)更加均勻,在隨后的凝固過程中使凝固晶均勻。由于激光復(fù)合焊冷速度快以及熔池下部未受到MIG焊電弧的影響,金屬熔池凝固時傳熱快,凝固后形成的粗大的柱狀晶組織明顯,晶粒大小分布不均勻；隨著焊接速度的降低,焊縫上部和下部中心晶粒大小有增大的趨勢,這主要是因為隨著焊接速度的降低,焊接熱輸入增大,高溫停留時間變長,晶粒更容易變大,晶粒的平均尺寸變大。

圖5 焊縫上部中心組織Fig.5 Microstructure in the bottom region of welding seam center

圖6 焊縫下部中心組織Fig.6 Microstructure in the top region of welding seam center

3.2 拉伸性能

由表3可知,隨著焊接速度的提高,拉伸試樣的抗拉強度提高,拉伸試樣的斷裂位置由焊縫轉(zhuǎn)移到熱影響區(qū),由圖7可知,激光電弧復(fù)合焊焊接速度的改變對軟化區(qū)的硬度和寬度影響不大,但由圖5和圖6可知，隨著焊接速度的增加,晶粒細化,發(fā)生細晶強化,提高焊縫區(qū)的綜合力學(xué)性能,焊縫區(qū)的抗拉強度和延伸率提高,在焊接速度由960 mm/min降低到780 mm/min的過程中,焊縫區(qū)的力學(xué)性能變動較大,而軟化區(qū)的力學(xué)性能改變較小,所以在焊接速度為960、900 mm/min時,拉伸試樣的斷裂位置處于熱影響區(qū),在焊接速度為840、780 mm/min時,拉伸試樣的斷裂位置處于焊縫。由表3可知,其他條件不變,在焊接速度為960 mm/min,抗拉強度可以達到母材的61.4%,延伸率達到母材的66.3%；在焊接速度為780 mm/min,抗拉強度僅為母材的55.3%,延伸率達到母材的60.9%,所以在保證焊縫成形性較好的前提下,我們可以通過提高焊接速度來提高焊縫的力學(xué)性能。

表3 拉伸試驗結(jié)果Tab.3 Tensile test results

3.3 顯微硬度

圖7是激光功率為3.8 kW,焊接電流200 A,焊接速度分別為960、900、840、780 mm/min時,焊縫橫向和縱向顯微硬度測試曲線圖。

鋁合金的軟化問題主要因為第二相的長大和熔解引起的,對于6009鋁合金,在熔合區(qū)附近發(fā)生Mg2Si的溶解,遠離熔合區(qū)發(fā)生Mg2Si的長大。由圖7(a)可以知,在熔合區(qū)附近焊縫的硬度值突然變大,這主要是因為在熔合區(qū)第二相Mg2Si熔解,發(fā)生固溶強化,硬度值提高；在軟化區(qū)硬度值降低是因為第二相Mg2Si長大,固溶強化作用降低造成的[10-12]。在水平方向上,把焊接接頭分成焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)。激光復(fù)合焊接的橫向硬度試驗結(jié)果表明:復(fù)合焊接焊縫顯微硬度隨焊縫中心向左右兩側(cè)延伸呈現(xiàn)增大的趨勢,在延伸至熔合線附近達到最大值,然后顯微硬度快速降低,最后趨于平穩(wěn)。在焊縫區(qū)顯微硬度的平均值在60 HV左右,熱影響區(qū)顯微硬度的平均值在55 HV左右,母材顯微硬度的平均值為65 HV左右。焊接熱影響的寬度在4～6 mm,總體來說,隨著焊接速度的增加,熱輸入減少,熱影響區(qū)的寬度減小。由圖7(b)可以看出,焊縫上部的硬度值要小于焊縫下部,這主要是因為,第一,焊縫中心上部填充材料燒損要比焊縫中心下部嚴重；第二,電弧熱源后端相當于對焊縫中心上部進行焊后回火處理,從而使焊縫中心上部的硬度要低于焊縫下部。

圖7 復(fù)合焊焊接接頭焊縫顯微硬度分布Fig.7 Distribution of microhardness in the weld of hybrid welding

3.4 斷口形貌

光纖激光-MIG復(fù)合焊拉伸斷口SEM形貌如圖8所示,激光復(fù)合焊的拉伸斷口屬于典型的韌窩狀斷口。

圖8 復(fù)合焊接拉伸斷口形貌Fig.8 Tensile fracture micrograph of hybrid welding sample

由圖8(a)可以看出,韌窩具有明顯的方向性,說明該試樣是以撕裂的形式發(fā)生斷裂的,撕裂時要吸收大量的能量,因此該試樣的韌性相當好。由圖8(b)可以看出,激光復(fù)合焊韌窩內(nèi)部含有明顯的顆粒狀物質(zhì),韌窩大小分布均勻,韌窩較深,有的大韌窩里面還有小韌窩,說明激光復(fù)合焊韌窩產(chǎn)生的機理屬于微孔聚集斷裂。

4 結(jié) 論

(1)焊縫中心晶粒尺寸大小不一,焊縫上部的晶粒尺寸要大于焊縫下部,焊縫中心上部晶粒大小分布均勻,焊縫中心下部晶粒大小分布不均勻。

(2)通過拉伸試驗可知,隨著焊接速度的增加,在保證焊縫成形較好的情況下,有利于提高焊接接頭的拉伸性能。

(3)激光功率為3.8 kW,焊接電流200 A,焊接速度從780 mm/min變化到960 mm/min。焊縫區(qū)的平均硬度要高于熱影響區(qū)、低于母材,焊縫中心上部的硬度要低于焊縫下部；軟化區(qū)的寬度在4～6 mm之間。

(4)通過斷口形貌觀察,斷口具有明顯的韌窩,并且韌窩較為均勻,斷裂機理屬于微孔聚集形斷裂。

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Research on performance of aluminum alloy joint by laser-MIG hybrid welding

ZHANG De-fen1,WANG Tong-ju1,LIU Feng-lin1,YANG Yang1,LI Zeng-zhen1,TAN Gai1,WANG Song1,SUN Yu-liang2

(1.School of material And Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China；2.Chongqing Changan Automobile Limited by Share Ltd,Chongqing 401120,China)

After the interaction of laser-MIG and arc,grain sizes in top welding seam center are different from that in bottom welding seam center.Based on this,the effects of welding speed on the microstructure,tensile property and microhardness of 6009 aluminum alloy are studied.The results show that the tensile strength and elongation of the hybrid joint increase with the increase of welding speed;the fracture position of hybrid welding transfers from welding seam to heat-affected zone(HAZ),and dimple morphologies appear in the fractures,and the mechanism of fracture is microporous gathered fracture;grains in the upper welding center are smaller than that in the lower welding center,and its size distribute is uniform.Moreover,the microhardness of top welding seam is greater than that of bottom,and there is welding-softened zone in HAZ,and its width is 4 to 6 mm.

hybrid welding；microstructure；tensile property；microhardness；fracture morphology

1001-5078(2015)06-0611-05

四川省高等學(xué)校油氣田材料重點實驗室項目(No.x151514kcl21)資助。

張德芬(1972-)，女，副教授，博士，主要研究方向為鐵基非晶材料及焊接新技術(shù)及新工藝。

E-mail：574285778@qq.com

2014-10-29;

2015-03-31

TG457.14

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.003