6005A-T6鋁合金激光焊接頭性能的研究

陳亞斌 王 韜 代許曉 伊霄云 孫 彬

（1.青島泰泓軌道裝備有限公司，山東 青島 266111；2.青島宏達(dá)青田交通設(shè)備有限公司，山東 青島 266111；3.青島鑫匯通軌道交通設(shè)備有限公司，山東 青島 266111）

0 前言

隨著輕量化需求的與日俱增，鋁合金因質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無(wú)磁性、成形性好以及低溫性能好的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中[1]。鋁合金的MIG焊縫由于受到不均勻的熱輸入的影響，原有失效強(qiáng)化效應(yīng)被明顯減弱。此外，熱影響區(qū)軟化效應(yīng)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度明顯下降。鋁合金激光焊憑借其經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、焊接變形量小和空間適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療裝備、軌道車輛、工程車輛、建筑裝飾等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，受到全世界越來(lái)越多的關(guān)注。

1 6005A-T6鋁合金MIG焊接頭性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用2mm厚的6005A-T6板材，尺寸規(guī)格為350mm×150mm×2mm，數(shù)量為4組，每組3副試板。材料力學(xué)性能見(jiàn)表1，材料化學(xué)成分見(jiàn)表2。試板激光下料前，四周預(yù)留25mm的加工余量，待下料完成后再用機(jī)床銑掉，隨后用無(wú)水酒精擦拭加工面周圍的油污。試板施焊前須清理一遍，先用機(jī)械清理的方式去除焊縫兩側(cè)各30mm范圍內(nèi)的油污與雜質(zhì)，然后再用無(wú)水酒精擦洗試板表面后施焊。在焊機(jī)上設(shè)置工藝參數(shù)如下：焊接電流82 A，焊接電壓17.6V，氬氣流量18L/min，詳細(xì)MIG焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 6005A-T6板材的力學(xué)性能

表2 6005A-T6板材的化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%）

表3 MIG焊接工藝參數(shù)

需要強(qiáng)調(diào)的是，MIG焊熱影響區(qū)的軟化效應(yīng)明顯，電弧的弧柱呈錐狀，熱源不夠集中，容易導(dǎo)致試板的熱影響區(qū)的面積變大，需要選擇合適的工藝參數(shù)。此外，與激光焊相比，MIG焊的焊接變形與應(yīng)力較大，試件在焊接前應(yīng)做好反變形措施，并用專用夾具固定壓緊后再施焊。

1.2 宏觀金相

從宏觀金相結(jié)果來(lái)看，6005A-T6鋁合金MIG焊縫形態(tài)良好，焊縫剖面上沒(méi)有氣孔，不存在裂紋，側(cè)壁沒(méi)有熔合、咬邊和未焊透等成型缺陷，焊縫宏觀組織良好，如圖1所示。與激光焊相比，MIG焊縫的焊接變形明顯較大，這是因?yàn)殇X合金激光焊接的比能較低[2]，而MIG焊的電弧熱源相對(duì)不夠集中，高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，熱輸入較大，導(dǎo)致變形有所增加。

圖1 MIG焊縫宏觀金相圖

1.3 微觀組織

熔池的結(jié)晶是一個(gè)連續(xù)快速且由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，其會(huì)在熔合線附近產(chǎn)生形核質(zhì)點(diǎn)，然后逐漸長(zhǎng)大。從微觀組織形態(tài)可以看出，在熔合線附近的晶核通常選擇最優(yōu)結(jié)晶取向的方向或者溫度梯度最大的反方向生長(zhǎng)，具有明顯的方向性。晶粒以樹(shù)枝狀向焊縫區(qū)延伸，呈現(xiàn)出較大的不均勻性，如圖2（b）所示。在焊縫中心區(qū)，由于熔池中心產(chǎn)生了很大的成分過(guò)冷區(qū)，溫度梯度明顯變小，因此晶核自由長(zhǎng)大成等軸晶粒，如圖2（a）所示。與熱影響區(qū)相比，母材區(qū)的組織均勻致密，無(wú)明顯的方向性，沒(méi)有發(fā)生明顯的組織相變過(guò)程，如圖2（c）所示。

圖2 MIG焊縫不同區(qū)域微觀組織形態(tài)

1.4 抗拉強(qiáng)度

從表4的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：4組MIG焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為176MPa，接頭強(qiáng)度達(dá)到了母材強(qiáng)度270MPa的65%。一方面是材料在MIG焊的過(guò)程中受到不均勻的局部電弧熱源的作用，破壞了材料原來(lái)的時(shí)效強(qiáng)化效果改變了強(qiáng)化相的分布狀態(tài)和數(shù)量。另一方面是由于MIG焊的熱源并不是非常集中，高溫停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，熱影響區(qū)的軟化效應(yīng)明顯，導(dǎo)致焊縫區(qū)組織的力學(xué)性能明顯下降。

表4 MIG焊接頭抗拉強(qiáng)度

2 26005A-T6鋁合金激光焊接頭性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料與方法

準(zhǔn)備2mm厚的6005A-T6板材，尺寸規(guī)格為350mm×150mm×2mm，數(shù)量為4組，每組3副試板。焊前清理試件表面油污、水分后待焊。設(shè)置激光焊機(jī)參數(shù)：振鏡速度為600mm/s，振鏡寬度為3mm，送絲速度35mm/s，焊接速度25mm/s，激光功率比80%，激光占空比100%，分別用激光功率為2000W、2200W、2400W和2600W的參數(shù)焊接4組試板。工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 焊接工藝參數(shù)表

激光焊在試驗(yàn)過(guò)程中要嚴(yán)格控制裝配精度，因?yàn)榧す饨?jīng)聚焦后光斑直徑很小，當(dāng)裝配間隙的精度和錯(cuò)邊量較大時(shí)，一旦光束出現(xiàn)偏離，就很容易引起焊接成型效果變差[3]。此外，因?yàn)闆](méi)有激光跟蹤裝置，所以焊縫尋位比較困難，容易導(dǎo)致焊接過(guò)程中出現(xiàn)偏焊的焊接缺陷，當(dāng)編程時(shí)，需要多取幾個(gè)點(diǎn)來(lái)保證激光焊槍的行走路線與焊縫中心線重合。

2.2 宏觀金相

當(dāng)激光功率為2600W時(shí)，焊縫表面顏色發(fā)灰發(fā)暗，有明顯的氧化跡象，局部焊縫表面出現(xiàn)了咬邊缺陷，原因在于激光功率太大，能量密度過(guò)于集中，焊接熱輸入明顯過(guò)大，導(dǎo)致焊縫內(nèi)部組織出現(xiàn)了過(guò)熱現(xiàn)象。當(dāng)激光功率為2000W時(shí)，焊縫形態(tài)不飽滿，局部焊縫有未填滿缺陷，原因在于激光功率較小、焊接熱輸入明顯不足。

此外，當(dāng)激光功率為2600W時(shí)，焊縫中心局部有細(xì)小的裂紋，這是當(dāng)焊縫凝固結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力誘發(fā)的。一方面，由于激光焊的峰值溫度高，高溫停留時(shí)間短，冷卻速度較快，導(dǎo)致在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了很大的拉應(yīng)力。另一方面，當(dāng)焊縫熔池由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，首先會(huì)形成一層液態(tài)薄膜，隨著焊縫凝固結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，焊縫中心區(qū)的溫度梯度逐步變小，凝固結(jié)晶速度相對(duì)變緩。薄膜在受到拉應(yīng)力的作用后很容易被拉開(kāi)而形成細(xì)小的裂紋源，進(jìn)而產(chǎn)生焊接裂紋。

2.3 微觀組織

從微觀組織可以看出，母材組織狀態(tài)較均勻，晶粒細(xì)小，如圖3（c）所示。6005A-T6鋁合金固溶處理后進(jìn)行了時(shí)效，在電弧熱源作用下，很多細(xì)小的亞穩(wěn)相擴(kuò)散析出并彌散分布。焊縫熱影響區(qū)晶粒明顯較大，這是因?yàn)榧す夂冈诋?dāng)焊縫熔池結(jié)晶時(shí)溫度梯度較大，激光焊的熱源相對(duì)集中，峰值溫度較高，高溫停留時(shí)間較短，導(dǎo)致最先在熔合線附近形核結(jié)晶的晶粒迅速呈一定方向性長(zhǎng)大，結(jié)晶過(guò)程存在嚴(yán)重的不均勻性和方向性，如圖3（b）所示。在焊縫中心區(qū)，主要有細(xì)小的等軸晶和樹(shù)枝晶，這是由于結(jié)晶末期，熔池的溫度梯度降低，是過(guò)冷度較小和成分過(guò)冷共同作用的結(jié)果，如圖3（a）所示。

此外，從圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)，微觀組織有明顯的氣孔，在鋁合金激光焊的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，氣孔是最常見(jiàn)的一種缺陷，容易出現(xiàn)氣孔的原因有以下幾點(diǎn)：首先，鋁合金材料表面很容易從空氣中吸收水分，發(fā)生氧化形成一層致密的AL2O3氧化膜，在電弧的作用下受熱分解容易產(chǎn)生氫氣；其次，氣孔的產(chǎn)生主要和氫溶解度的變化密切相關(guān)。熔池結(jié)晶是一個(gè)連續(xù)的高溫液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，溶解氫在液態(tài)和固態(tài)兩種狀態(tài)下的溶解度差別較大，當(dāng)熔池結(jié)晶時(shí)，溶解在高溫液態(tài)中的氫迅速溢出，形成氣泡并聚集長(zhǎng)大[3]。此外，激光焊縫形態(tài)深而窄，冷卻速度快，氣孔的上浮和溢出需要充足的時(shí)間，氣孔沒(méi)有充分的擴(kuò)散和溢出會(huì)導(dǎo)致焊縫內(nèi)部形成氫氣孔；氣孔的危害主要表現(xiàn)在有效承載焊縫面積減少且容易誘發(fā)其他焊接缺陷，導(dǎo)致鋁合金結(jié)構(gòu)件的承載能力下降。減少氣孔在鋁合金激光焊接中出現(xiàn)的方法有很多種，不過(guò)都難以從根本上清除氣孔[4]。

圖3 激光焊焊縫不同區(qū)域微觀組織形態(tài)

2.4 抗拉強(qiáng)度

與氬弧焊縫強(qiáng)度相比，激光焊焊縫的抗拉強(qiáng)度明顯較好。這是因?yàn)楹缚p軟化區(qū)較窄，熱影響區(qū)較小。另外，通過(guò)激光填絲可獲得均勻的焊縫并抑制突出枝晶生長(zhǎng)，細(xì)化組織，避免熱裂紋的產(chǎn)生，可以明顯提高焊縫強(qiáng)度[5]，如圖4所示，當(dāng)其他試驗(yàn)參數(shù)一定時(shí)，焊縫的抗拉強(qiáng)度隨著激光焊功率的提高逐步提高，當(dāng)激光功率為2400W時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值203MPa，為母材強(qiáng)度270MPa的75%。當(dāng)激光功率超過(guò)這一臨界值時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度隨激光功率的增加呈明顯的降低趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)激光功率太大時(shí)，在單位長(zhǎng)度的焊縫上產(chǎn)生的熱輸入過(guò)大，焊縫內(nèi)部產(chǎn)生了過(guò)熱甚至過(guò)燒缺陷，晶粒明顯長(zhǎng)大，導(dǎo)致焊縫區(qū)組織力學(xué)性能明顯下降。

圖4 不同激光功率下的平均抗拉強(qiáng)度

2.5 彎曲性能

當(dāng)激光功率低于2400W時(shí)，所焊試樣無(wú)論是面彎還是背彎試驗(yàn)，彎曲到180°后均未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，無(wú)裂紋等缺陷出現(xiàn)，如圖5所示。這是因?yàn)闊彷斎肓窟m中，焊縫組織均勻，晶粒細(xì)小，焊縫塑韌性較好。當(dāng)激光功率為2600W時(shí)，其中當(dāng)2個(gè)樣塊面彎時(shí)出現(xiàn)了4mm長(zhǎng)的裂紋，其余彎曲結(jié)果均合格。這是因?yàn)楫?dāng)激光功率太大時(shí)，焊縫熱輸入明顯過(guò)大，導(dǎo)致焊縫組織出現(xiàn)粗晶脆化現(xiàn)象。

圖5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

該文經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：1）鋁合金激光焊接頭性能良好，強(qiáng)度明顯高于MIG焊接頭，抗拉強(qiáng)度能達(dá)到母材強(qiáng)度的75%以上；2）隨著激光功率的增大，接頭抗拉強(qiáng)度增大，但是當(dāng)激光功率達(dá)到一定值時(shí)，接頭強(qiáng)度隨著激光功率的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；3）鋁合金激光焊裝配精度要求較高，與MIG焊接接頭相比，更容易出現(xiàn)氣孔等缺陷。