鋁合金薄板激光搭接焊接頭組織及力學(xué)性能

周金旭,沈其明,李 歡,鄧 鑫,金文福,孫明軍,李洪林,劉 學(xué)

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

鋁合金具有良好的加工性能及使用性能,在汽車制造,航空航天等制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1],但由于鋁合金具有熱傳導(dǎo)系數(shù)大、熔點低、線膨脹系數(shù)大等特點,常用的焊接方法,在焊接過程中,存在焊接變形大、熱影響區(qū)軟化等問題,大大降低了產(chǎn)品的使用性能[2,3]。激光焊接具有能量密度集中、焊接變形小、效率高等特點被廣泛研究[4]。目前,采用單激光自熔焊接鋁合金時,由于焊接速度快、熔池小、對間隙敏感性高,以及鋁合金具有較高的導(dǎo)熱性,使焊縫熔池具有瞬時凝固的特點,容易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)咬邊、裂紋、未熔合等焊接缺陷[5]。雙焦點激光焊接過程中可以明顯增大熔池與匙孔,保證了匙孔的穩(wěn)定,使熔池的流動性增強(qiáng)[6],是解決這些問題的有效途徑之一,提高了焊接接頭的成型質(zhì)量。本文采用雙光束激光填絲焊對薄板5052鋁合金進(jìn)行激光搭接焊研究, 分析了不同激光功率下焊縫成型情況,并對焊接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能及金相組織分析。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

母材為5052-H32鋁合金,尺寸為100mm×100mm×1.5mm。填充材料為直徑1.2mm的ER5356焊絲,保護(hù)氣體為Ar,純度>99.99%。母材抗拉強(qiáng)度258MPa,屈服強(qiáng)度225MPa,延伸率14%,母材與焊絲化學(xué)成分見表1[7]。

1.2 試驗方法

采用TRUDISK8002激光器 HIGHYAG BIMO激光頭等設(shè)備進(jìn)行焊接試驗,接頭形式為搭接。激光通過芯徑200μm的光纖進(jìn)行傳輸,最小光斑直徑 0.42mm。雙光點間距、能量分布及光點排布均可調(diào)節(jié),離焦量為零,能量分布50/50,兩束光完全分開,并行焊接,激光與水平面夾角為60°,使用Fronius VR7000送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行送絲,送絲速度3.5m/min,焊接速度2.4m/min,選用5組不同的激光功率進(jìn)行焊接,焊前使用氣動鋼絲刷打磨焊縫及其兩側(cè)25mm區(qū)域內(nèi)氧化膜至露出金屬光澤,并用酒精對待焊部位進(jìn)行清理[8]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1焊縫外觀成型及宏觀形貌

不同激光功率下的焊縫外觀成型如圖1所示。當(dāng)激光功率為2.7kW時焊縫表面光滑[9],焊縫飽滿,熔寬小,隨激光功率的增加焊縫鋪展性更好,焊縫表面尺寸增加。激光功率為3.0kW時焊縫上板熔合情況變好,激光功率為3.6kW時焊縫上板熔合最好,當(dāng)激光功率增加到3.9kW時,熔寬最大,焊縫表面熔合情況優(yōu)良,但下板背部出現(xiàn)熔透現(xiàn)象。

圖1 焊縫外觀形貌

搭接接頭的宏觀截面形貌如圖2所示?？梢钥闯?當(dāng)激光功率為2.7kW時焊縫內(nèi)部熔合不良,焊縫根部出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象;隨著激光功率增加,3.3kW時焊接接頭熔合情況變好,焊縫根部熔合情況明顯改善;當(dāng)激光功率增加到3.9kW時下板熔透,激光功率的提高增加了熱輸入[10],使金屬得到充分熔化,熔合更充分,提高了接頭的焊接質(zhì)量。

圖2 焊縫宏觀截面形貌

2.2 焊接接頭顯微組織

采用蔡司M2m光學(xué)顯微鏡對接頭組織進(jìn)行觀察。從圖3(a)可以看出,焊縫截面形貌類似半橢圓狀,為激光熱傳導(dǎo)焊,焊接過程中,主要通過熱傳導(dǎo)方式向材料內(nèi)部擴(kuò)散使其熔化形成焊接接頭。圖3(b)(c)(d)分別為圖3(a)中的a、b、c區(qū)域。從圖3(b)可以看出,焊縫上板熔合區(qū)存在向焊縫內(nèi)部延伸的細(xì)小柱狀晶,熱影響區(qū)晶粒長大不明顯;圖3(d)為下板熔合區(qū)組織,存在向焊縫內(nèi)部生長的柱狀晶,組織明顯大于上板,熱影響區(qū)晶粒明顯長大,晶界清晰,晶粒大于上板熱影響區(qū),說明下板吸收的熱量更多[11,12]。熔合區(qū)存在柱狀晶是因為在焊縫凝固過程中,晶粒首先在熔池與母材分界線處的晶核表面為結(jié)晶表面開始形核、結(jié)晶、長大,沿著有利于晶粒長大的方向進(jìn)一步生長。圖3(c)為焊縫組織,由于焊縫中心過冷度大,形核率高,溫度差異小等原因,晶粒形核后長大效果并不顯著,因此,焊縫中心為細(xì)小的樹枝晶及等軸晶。

圖3 焊接接頭橫截面形貌及顯微組織

2.3 焊接接頭拉伸性能

使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗,每組測試2個試樣,取平均值作為試驗結(jié)果。不同激光功率下的搭接接頭力學(xué)性能見表2?？梢钥闯?隨著激光功率的增加,接頭強(qiáng)度提升,說明隨著激光功率的增加[13]搭接接頭熔合情況更好;激光功率2.7kW時力學(xué)性能最低為123MPa,主要因為焊縫內(nèi)部熔合不良,導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能下降;激光功率3.9kW時力學(xué)性能最好為152MPa,達(dá)到母材強(qiáng)度的59%,說明在該功率焊接下有效連接面積增加,接頭熔合最好。

表2 焊接接頭力學(xué)性能

3 結(jié)語

(1)在不同激光功率焊接下,焊縫表面成型均良好,激光功率過小接頭內(nèi)部熔合不良,隨著激光功率的增加焊縫內(nèi)部質(zhì)量變好,當(dāng)激光功率過大時,下板存在焊透現(xiàn)象。

(2)隨著激光功率的增加,焊接接頭質(zhì)量提高,接頭力學(xué)性能提高。激光功率2.7kW時力學(xué)性能最低為123MPa,3.9kW時力學(xué)性能最好為152MPa。

(3)焊縫上板熔合區(qū)存在向焊縫內(nèi)部延伸的細(xì)小柱狀晶,熱影響區(qū)不明顯,焊縫內(nèi)部存在細(xì)小的樹枝晶及等軸晶,強(qiáng)化相析出明顯。下板存在向焊縫內(nèi)部生長的柱狀晶,組織明顯大于上板,熱影響區(qū)晶粒明顯長大,晶粒大于上板熱影響區(qū)。