铝合金薄板激光搭接焊接头组织及力学性能

周金旭,沈其明,李 欢,邓 鑫,金文福,孙明军,李洪林,刘 学

(辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003)

铝合金具有良好的加工性能及使用性能,在汽车制造,航空航天等制造领域被广泛应用[1],但由于铝合金具有热传导系数大、熔点低、线膨胀系数大等特点,常用的焊接方法,在焊接过程中,存在焊接变形大、热影响区软化等问题,大大降低了产品的使用性能[2,3]。激光焊接具有能量密度集中、焊接变形小、效率高等特点被广泛研究[4]。目前,采用单激光自熔焊接铝合金时,由于焊接速度快、熔池小、对间隙敏感性高,以及铝合金具有较高的导热性,使焊缝熔池具有瞬时凝固的特点,容易导致焊缝出现咬边、裂纹、未熔合等焊接缺陷[5]。双焦点激光焊接过程中可以明显增大熔池与匙孔,保证了匙孔的稳定,使熔池的流动性增强[6],是解决这些问题的有效途径之一,提高了焊接接头的成型质量。本文采用双光束激光填丝焊对薄板5052铝合金进行激光搭接焊研究, 分析了不同激光功率下焊缝成型情况,并对焊接接头进行了力学性能及金相组织分析。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

母材为5052-H32铝合金,尺寸为100mm×100mm×1.5mm。填充材料为直径1.2mm的ER5356焊丝,保护气体为Ar,纯度>99.99%。母材抗拉强度258MPa,屈服强度225MPa,延伸率14%,母材与焊丝化学成分见表1[7]。

1.2 试验方法

采用TRUDISK8002激光器 HIGHYAG BIMO激光头等设备进行焊接试验,接头形式为搭接。激光通过芯径200μm的光纤进行传输,最小光斑直径 0.42mm。双光点间距、能量分布及光点排布均可调节,离焦量为零,能量分布50/50,两束光完全分开,并行焊接,激光与水平面夹角为60°,使用Fronius VR7000送丝机构进行送丝,送丝速度3.5m/min,焊接速度2.4m/min,选用5组不同的激光功率进行焊接,焊前使用气动钢丝刷打磨焊缝及其两侧25mm区域内氧化膜至露出金属光泽,并用酒精对待焊部位进行清理[8]。

2 试验结果与分析

2.1焊缝外观成型及宏观形貌

不同激光功率下的焊缝外观成型如图1所示。当激光功率为2.7kW时焊缝表面光滑[9],焊缝饱满,熔宽小,随激光功率的增加焊缝铺展性更好,焊缝表面尺寸增加。激光功率为3.0kW时焊缝上板熔合情况变好,激光功率为3.6kW时焊缝上板熔合最好,当激光功率增加到3.9kW时,熔宽最大,焊缝表面熔合情况优良,但下板背部出现熔透现象。

图1 焊缝外观形貌

搭接接头的宏观截面形貌如图2所示。可以看出,当激光功率为2.7kW时焊缝内部熔合不良,焊缝根部出现未熔合现象;随着激光功率增加,3.3kW时焊接接头熔合情况变好,焊缝根部熔合情况明显改善;当激光功率增加到3.9kW时下板熔透,激光功率的提高增加了热输入[10],使金属得到充分熔化,熔合更充分,提高了接头的焊接质量。

图2 焊缝宏观截面形貌

2.2 焊接接头显微组织

采用蔡司M2m光学显微镜对接头组织进行观察。从图3(a)可以看出,焊缝截面形貌类似半椭圆状,为激光热传导焊,焊接过程中,主要通过热传导方式向材料内部扩散使其熔化形成焊接接头。图3(b)(c)(d)分别为图3(a)中的a、b、c区域。从图3(b)可以看出,焊缝上板熔合区存在向焊缝内部延伸的细小柱状晶,热影响区晶粒长大不明显;图3(d)为下板熔合区组织,存在向焊缝内部生长的柱状晶,组织明显大于上板,热影响区晶粒明显长大,晶界清晰,晶粒大于上板热影响区,说明下板吸收的热量更多[11,12]。熔合区存在柱状晶是因为在焊缝凝固过程中,晶粒首先在熔池与母材分界线处的晶核表面为结晶表面开始形核、结晶、长大,沿着有利于晶粒长大的方向进一步生长。图3(c)为焊缝组织,由于焊缝中心过冷度大,形核率高,温度差异小等原因,晶粒形核后长大效果并不显著,因此,焊缝中心为细小的树枝晶及等轴晶。

图3 焊接接头横截面形貌及显微组织

2.3 焊接接头拉伸性能

使用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机进行拉伸试验,每组测试2个试样,取平均值作为试验结果。不同激光功率下的搭接接头力学性能见表2。可以看出,随着激光功率的增加,接头强度提升,说明随着激光功率的增加[13]搭接接头熔合情况更好;激光功率2.7kW时力学性能最低为123MPa,主要因为焊缝内部熔合不良,导致焊缝力学性能下降;激光功率3.9kW时力学性能最好为152MPa,达到母材强度的59%,说明在该功率焊接下有效连接面积增加,接头熔合最好。

表2 焊接接头力学性能

3 结语

(1)在不同激光功率焊接下,焊缝表面成型均良好,激光功率过小接头内部熔合不良,随着激光功率的增加焊缝内部质量变好,当激光功率过大时,下板存在焊透现象。

(2)随着激光功率的增加,焊接接头质量提高,接头力学性能提高。激光功率2.7kW时力学性能最低为123MPa,3.9kW时力学性能最好为152MPa。

(3)焊缝上板熔合区存在向焊缝内部延伸的细小柱状晶,热影响区不明显,焊缝内部存在细小的树枝晶及等轴晶,强化相析出明显。下板存在向焊缝内部生长的柱状晶,组织明显大于上板,热影响区晶粒明显长大,晶粒大于上板热影响区。