焊后熱處理對(duì)6063鋁合金激光填絲焊接頭組織與性能的影響

周金旭 ， 康 銘 ， 田春雨 ， 李 哲 ， 陳德軍 ， 恒俊楠

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003）

0 引言

6063鋁合金為中等強(qiáng)度的Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，因其具有良好的使用性能及工藝性能，被廣泛應(yīng)用于軌道交通及新能源汽車等領(lǐng)域。當(dāng)前，鋁合金使用較多的焊接方法為熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Metal Inert-gas Welding，MIG）。近年來，隨著激光焊接的發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始使用激光焊接鋁合金[1-3]。激光焊接與傳統(tǒng)的焊接方法相比較，優(yōu)勢(shì)在于激光焊接效率高、焊接變形小、焊縫成型美觀，但單一的激光自熔焊接對(duì)零件的裝配間隙要求嚴(yán)格。激光填絲焊接方法除具有激光焊接的優(yōu)點(diǎn)外，還提高了激光焊對(duì)裝配間隙的適應(yīng)性，焊絲的添加有利于改善焊縫的冶金成分，使激光焊的應(yīng)用范圍更為廣泛[4-6]?，F(xiàn)階段，鋁合金激光填絲焊接的研究多集中在焊接工藝、焊接方法以及焊接設(shè)備方面，而焊后熱處理對(duì)鋁合金焊接接頭組織和性能的影響研究主要集中于鋁合金MIG焊、攪拌摩擦焊等焊接技術(shù)。研究表明，焊后熱處理使焊接接頭力學(xué)性能均有不同程度提升，接頭熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象明顯改善，但焊后熱處理對(duì)6063鋁合金激光填絲焊接頭的力學(xué)性能及組織的影響研究較少[7]。

本研究對(duì)6063鋁合金進(jìn)行激光填絲焊，焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行熱處理，分析其組織及力學(xué)性能變化，為激光填絲焊接鋁合金焊后工藝優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

母材為6063-T6鋁合金，尺寸為160 mm×150 mm×3 mm。填充材料為直徑1.2 mm的ER5356焊絲，保護(hù)氣體為Ar，純度＞99.99%。母材和焊絲的化學(xué)成分見表1。對(duì)母材進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，母材抗拉強(qiáng)度為254 MPa，屈服強(qiáng)度為204 MPa，斷后伸長率為15.6%。

表1 母材和焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire (mass fraction /%)

1.2 試驗(yàn)方法

采用激光器等設(shè)備進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接參數(shù)：激光功率為6.8 kW，離焦量為+8 mm，焊接速度為2.1 m/min，送絲速度為4.2 m/min，接頭形式為對(duì)接。激光通過芯徑為200 μm的光纖進(jìn)行傳輸，使用送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行送絲，焊前使用氣動(dòng)鋼絲刷打磨焊縫及其兩側(cè)25 mm區(qū)域內(nèi)的氧化膜至露出金屬光澤，并用酒精對(duì)焊部位進(jìn)行清理[8]。焊后采用不同熱處理制度對(duì)焊接接頭進(jìn)行熱處理，熱處理制度見表2。

表2 焊后熱處理制度Table 2 Post weld heat treatment system

使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，加載速率為10 mm/min，按照GB/T 2651—2008進(jìn)行試樣制備。每組測(cè)試2個(gè)試樣，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)接頭的組織及斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 焊縫外觀成型及宏觀形貌

根據(jù)大量工藝試驗(yàn)，獲得使焊縫成型良好的工藝參數(shù)，在此焊接工藝參數(shù)下進(jìn)行焊接。圖1為焊縫外觀形貌，焊縫表面成型連續(xù)無氣孔、裂紋等缺陷，焊縫背部成型均勻，熔合良好。圖2為焊縫截面形貌，焊縫內(nèi)部無氣孔裂紋等缺陷，內(nèi)部質(zhì)量良好[9]。

圖1 焊縫外觀形貌Fig.1 Weld appearance

圖2 焊接接頭橫截面形貌Fig.2 Cross section morphology of welded joint

2.2 焊接接頭拉伸性能

對(duì)不同熱處理下的焊接接頭拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，斷裂試樣見圖3，試驗(yàn)結(jié)果見表3?？梢姡负笪礋崽幚斫宇^抗拉強(qiáng)度約為196 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的77.2%；經(jīng)熱處理后的焊接接頭抗拉強(qiáng)度均得到提升。經(jīng)過時(shí)效處理后的焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到223 MPa，較未時(shí)效處理時(shí)提高27 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的87.8%；經(jīng)過固溶+時(shí)效處理后的焊接接頭抗拉強(qiáng)度為260 MPa，較未熱處理時(shí)提高64 MPa，較時(shí)效處理后提高37 MPa，抗拉強(qiáng)度與母材相近。

表3 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Tensile test results of welded joints

圖3 焊接接頭拉伸斷裂試樣Fig.3 Tensile fracture sample of welded joint

焊后熱處理接頭的力學(xué)性能得到提升，是由于激光焊接過程中能量集中，熔池尺寸小，焊接速度快，熔化的金屬快速凝固，使未熱處理的接頭焊縫成分不均勻，偏析現(xiàn)象嚴(yán)重，較快的冷卻速度導(dǎo)致強(qiáng)化相無法完全析出，使接頭力學(xué)性能下降。經(jīng)過熱處理后，偏析現(xiàn)象減弱，強(qiáng)化相進(jìn)一步析出，接頭強(qiáng)度得到大幅度回升[10-11]。

2.3 焊接接頭顯微組織

對(duì)不同熱處理下的焊接接頭截取橫向金相試樣，觀察接頭不同區(qū)域的金相組織?？梢姾缚p內(nèi)部均為鑄態(tài)組織，焊縫熔合線附近存在向焊縫內(nèi)部生長的柱狀晶，焊縫內(nèi)部為細(xì)小的樹枝晶，焊縫中心為等軸晶[12]。由于激光焊接過程中熔池尺寸小，具有瞬態(tài)快速非平衡凝固的特點(diǎn)，未熱處理的焊接接頭無法大量析出Mg2Si強(qiáng)化相，Mg、Si等合金元素熔入液態(tài)Al，在快速凝固狀態(tài)下形成α-Al的過飽和固溶體，Mg2Si強(qiáng)化效果不明顯（圖4）；焊接接頭經(jīng)時(shí)效處理后，焊縫內(nèi)強(qiáng)化相進(jìn)一步析出，焊縫組織得到細(xì)化，熔合線附近組織不均勻性明顯改善[13-14]，力學(xué)性能得到提高（圖5）；焊接接頭經(jīng)過固溶+時(shí)效處理后，Mg、Si元素發(fā)生回溶，在接頭內(nèi)形成大小均勻、彌散分布的強(qiáng)化相，熔合線及熱影響區(qū)組織發(fā)生明顯細(xì)化，力學(xué)性能提升明顯[15]（圖6）。

圖4 未熱處理的焊接接頭顯微組織Fig.4 Microstructure of welded joint without heat treatment

圖5 人工時(shí)效處理的焊接接頭顯微組織Fig.5 Microstructure of artificial aging welded joint

圖6 固溶+人工時(shí)效處理焊接接頭顯微組織Fig.6 Microstructure of solution and artificial aging treated welded joint

2.4 焊接接頭拉伸斷口形貌

圖7為各拉伸斷口微觀形貌圖，不同熱處理下的焊接接頭均為韌脆混合斷裂。未熱處理的接頭斷口和時(shí)效處理的接頭斷口形貌相似，撕裂棱明顯；相對(duì)于未熱處理的接頭斷口，時(shí)效處理的接頭斷口韌窩尺寸差異較大，韌窩較深，解理面減少，表明接頭力學(xué)性能有所改善；固溶+人工時(shí)效處理后的斷口韌窩大小均勻，韌窩尺寸較大、較深[16]，韌窩數(shù)量更多，解理面幾乎消失，接頭力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高[17]。

圖7 焊接接頭拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphology of welded joint

3 結(jié)論

1）經(jīng)人工時(shí)效處理的接頭抗拉強(qiáng)度較未熱處理的接頭抗拉強(qiáng)度提高了27 MPa；經(jīng)過固溶+人工時(shí)效處理的接頭抗拉強(qiáng)度較未熱處理的接頭抗拉強(qiáng)度提高了64 MPa。焊后熱處理明顯改善焊接接頭的拉伸性能。

2）焊縫內(nèi)部為鑄態(tài)組織，焊縫熔合線附近存在向焊縫內(nèi)部生長的柱狀晶，焊縫內(nèi)部為細(xì)小的樹枝晶，焊縫中心為等軸晶。人工時(shí)效處理的焊縫組織得到細(xì)化，熔合線附近組織不均勻性明顯改善；固溶+人工時(shí)效后的接頭內(nèi)形成大小均勻、彌散分布的強(qiáng)化相，熔合線及熱影響區(qū)組織發(fā)生明顯細(xì)化。

3）焊接接頭斷裂性質(zhì)為韌脆混合斷裂。人工時(shí)效處理接頭斷口韌窩尺寸差異大，固溶+人工時(shí)效處理的接頭斷口韌窩尺寸更均勻，解理面消失。