3003鋁合金激光焊接組織和力學(xué)性能

范霽康， 倪程， 徐鴻林， 彭勇， 宋友民， 王克鴻

(1.南京理工大學(xué)，受控電弧智能增材技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094；2.昆山華恒焊接股份有限公司，江蘇 昆山 215300)

0 前言

3003鋁合金是鋁錳合金系材料，具有重量輕、延展性好、易成形、熱穩(wěn)定性好、抗腐蝕、再生性好等一系列等優(yōu)點(diǎn)，在電子、電力、汽車、航空等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，特別是在汽車動力電池外殼上的應(yīng)用非常廣泛[1-3]。目前3003等鋁合金材料仍主要以傳統(tǒng)弧焊工藝進(jìn)行焊接，焊接速度慢、生產(chǎn)效率低，而且因較高的熱輸入造成焊縫區(qū)域晶粒粗大，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量較差。而激光作為一種高能量密度的熱源，具有較快的焊接速度和較小的熱輸入，能夠減小鋁合金焊接變形，提升其焊接質(zhì)量，已經(jīng)在各種鋁合金產(chǎn)品中得到應(yīng)用[4-6]。

采用傳統(tǒng)的激光光束焊接3003鋁合金時，由于鋁合金對激光的高反射率及自身的高導(dǎo)熱性，導(dǎo)致焊接匙孔極不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋、塌陷等，降低焊接接頭地強(qiáng)度[7-9]。當(dāng)采用脈沖激光擺動焊接時，能夠有效地增加熔池流動，降低對板材拼接縫隙的要求，因此具有焊接精度高、焊縫質(zhì)量與成型好、焊接柔性高等優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)一步改善鋁合金焊縫成形、減少焊接缺陷[10-12]。此外，激光擺動焊接還可以通過改變擺動速度和幅度改變焊縫寬度，對鋁合金焊接具有很大的適應(yīng)性[13]。

文中采用IPG光纖激光器對1.5 mm厚3003鋁合金薄板開展脈沖激光擺動拼焊工藝研究，獲得了使焊縫成形良好的工藝參數(shù)，然后對焊接接頭的微觀組織進(jìn)行了分析，并測試了焊接接頭的微觀硬度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)采用的激光焊接設(shè)備IPG生產(chǎn)的1 500 W光纖激光器，焊接激光頭采用的為萬順興生產(chǎn)的擺動激光頭，焊接時可控制光束沿垂直焊縫方向擺動。

試驗(yàn)材料為3003鋁合金，其化學(xué)成分見表1，試板規(guī)格為500 mm×150 mm×1.5 mm，采用2塊試板進(jìn)行對接焊接。試驗(yàn)前先采用砂紙去除表面氧化膜，然后用酒精或丙酮清理焊接部位。焊接時采用專門的焊接夾具固定鋁合金板，使兩塊試板的拼接縫隙控制在0.15 mm以下。

表1 3003鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

在工藝試驗(yàn)結(jié)束后，在焊接試板上按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》和ASTM E3-2011(R2017)《金相試樣制備標(biāo)準(zhǔn)指南》取拉伸試樣和金相試樣，其中拉伸試樣的位置和尺寸如圖1所示。采用WDW-300微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對拉伸試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，并觀察了拉伸斷口的形貌特征。金相試件經(jīng)研磨和拋光處理后，采用100 mL蒸餾水、5 mL HNO3，2 mL HCL和 2 mL HF配制的Keller試劑對金相試樣進(jìn)行腐蝕，然后采用徠卡DMILM型金相顯微鏡和FEI Quanta 250場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡分析接頭焊縫微觀組織，之后采用HVS-1000Z硬度計(jì)測試焊接接頭區(qū)域的顯微硬度。

圖1 拉伸試樣取樣位置及尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接工藝參數(shù)

在激光焊接時，為了減小焊接變形，提升焊接效率，在保證焊接質(zhì)量的情況下，焊接速度越快越好。經(jīng)過前期的工藝試驗(yàn)探索，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為1 350 W時，焊接速度約在40～45 mm/s范圍內(nèi)。因此文中采用40 mm/s和45 mm/s 2種焊接速度對鋁合金試板進(jìn)行了焊接，具體焊接工藝參數(shù)見表2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接速度為45 mm/s時，由于熱輸入較低，試板出現(xiàn)了未熔透現(xiàn)象，而當(dāng)焊接速度為40 mm/s時，焊縫成形如圖2所示，正面和背面焊縫連續(xù)而均勻，無明顯缺陷。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊接完成的3003鋁合金試板

2.2 微觀組織分析

焊接接頭宏觀形貌如圖3所示，由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)組成。其中熔合區(qū)很窄，處于半熔化狀態(tài)，是焊接接頭中焊縫金屬向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。此外，由于激光焊接速度快、熱輸入低，熱影響區(qū)也很窄，晶粒來不及長大已經(jīng)開始冷卻，其微觀組織基本與母材相同，為典型的軋制織構(gòu)。

圖3 焊接接頭宏觀形貌

焊接接頭不同位置的微觀組織如圖4所示，由圖4a可知，熔合線區(qū)域由細(xì)小而致密的等軸晶組成，而熔合線向焊縫中心過渡區(qū)域則由沿焊縫中心方向生長的柱狀晶組成。首先，由于當(dāng)液態(tài)熔池開始凝固時，對于具有相似化學(xué)成分和相同晶格類型的液態(tài)金屬而言，異質(zhì)形核過程相對自發(fā)形核過程更加容易，因此焊縫液態(tài)金屬首先在熔合線附近區(qū)域形核長大；其次，因激光焊接速度較快，增加了液態(tài)金屬過冷度，使熔合線附近形核率增加；最后由于激光擺動的攪拌作用，可促進(jìn)液態(tài)金屬形核并破碎較大晶粒，因此在熔合線區(qū)域附近出現(xiàn)了細(xì)小而又致密的等軸晶。而由于金屬液態(tài)熔池在熔合線附近的溫度梯度高且冷卻速度快，在熔合線附近區(qū)域細(xì)小晶粒形成以后，溫度梯度成為了晶粒生長的主要驅(qū)動力，因此晶粒開始沿著熱傳導(dǎo)方向的反向生長，垂直于熔合線向焊縫中心推進(jìn)，其它取向的晶粒生長則受到擇優(yōu)生長影響被大大抑制，最終形成典型的柱狀晶。

圖4 焊接接頭微觀組織

由圖4b可知，焊縫中心區(qū)域主要由較為細(xì)小的等軸樹枝晶組成，這是由于當(dāng)沿熔合線向焊縫中心方向的柱狀晶生長到一定程度時，隨著熔池中熱傳導(dǎo)方向的改變，液態(tài)熔池散熱方向失去了方向性，柱狀晶的生長最終被抑制。此外，由于焊縫中心區(qū)域的溫度梯度低，散熱條件差，在較高的焊接速度下由于熔池元素的偏析易產(chǎn)生異質(zhì)形核過程，因此在焊縫中心出現(xiàn)大面積形核。而且由于激光擺動對熔池的攪拌作用更加有利于形核的產(chǎn)生，同時使得柱狀晶前沿不斷破碎脫落形成新的異質(zhì)核心，抑制晶粒長大，所以在焊縫中心處形成了細(xì)小等軸樹枝晶。

2.3 力學(xué)性能

2.3.1顯微硬度

為了測試焊接接頭區(qū)域的硬度值，采用硬度計(jì)由焊縫中心向兩側(cè)每隔0.2 mm測一個硬度值，得到接頭區(qū)域的硬度分布如圖5所示，焊接接頭的顯微硬度沿焊縫中心近似對稱分布。母材區(qū)的顯微硬度在38～40 HV之間，熔合區(qū)附近的顯微硬度最高，約在48 HV左右，這是因?yàn)槿酆暇€附近形成了細(xì)小而又緊密的等軸晶區(qū)域，產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化作用。焊縫區(qū)的顯微硬度值在44～46 HV之間，硬度略高于母材，分布相對平穩(wěn)，這是因?yàn)榧す鈹[動對熔池的攪拌作用使得焊縫區(qū)成分和組織較為均勻，故硬度變化不大。

圖5 接頭顯微硬度分布

2.3.2拉伸性能

焊接接頭及母材的拉伸性能見表3，接頭的抗拉強(qiáng)度平均值約為162.3 MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的91%。而焊接接頭斷后伸長率平均值約為5%，約為母材的與母材相比下降明顯，約為母材的65%。為了分析接頭的斷裂形式，采用掃描電鏡對拉伸斷口進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖6所示，在焊縫處可看到2種明顯不同的斷裂方式。焊接接頭的起裂區(qū)位于焊趾處，由圖6a所示，焊縫斷口下部宏觀斷面平整，存在一些細(xì)小韌窩和撕裂棱，表現(xiàn)為韌窩與準(zhǔn)解理混合形貌。由圖6b所示，焊縫斷口中部布滿凹坑與韌窩，韌窩小而深韌。綜合而言，接頭斷口表現(xiàn)為韌性與準(zhǔn)解理的混合型斷裂模式，這主要是由于焊縫中存在微小氣孔，氣孔的存在使焊縫的有效承載截面積減小，降低了焊縫的承載強(qiáng)度，此外，拉伸時微小氣孔處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，周圍出現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂形貌，降低了焊接接頭的整體塑性。

表3 接頭的拉伸性能

圖6 拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

(1)在表面聚焦條件下，當(dāng)焊接速度40 mm/s，激光功率1 350 W，脈沖頻率5 000 Hz，擺動頻率100 Hz，擺動直徑0.3 mm時，1.5 mm厚3003鋁合金能夠獲得成形良好的焊接接頭。

(2)焊接接頭熔合線處和焊縫中心區(qū)存在細(xì)晶區(qū)，熔合線向焊縫中心過渡區(qū)域由柱狀晶組成，接頭整體微觀組織得到細(xì)化。

(3)焊接接頭各區(qū)硬度均高于母材，抗拉強(qiáng)度平均為162.3 MPa，約為母材的91%，斷后伸長率平均為5%，約為母材的65%，接頭斷裂形式為韌性與準(zhǔn)解理混合型斷裂。