曹麗杰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201600)

5A02鋁合金CO2激光焊接頭組織和力學(xué)性能分析

曹麗杰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201600)

對(duì)2mm厚的5A02鋁合金進(jìn)行CO2激光焊接試驗(yàn)研究。分析激光焊縫成形和接頭微觀組織形態(tài)，測(cè)定了接頭上表面和焊縫厚度方向上的維氏硬度，并對(duì)接頭進(jìn)行橫向和縱向拉伸試驗(yàn)，用掃描電鏡觀察分析拉伸斷口形貌。結(jié)果表明，激光功率和焊接速度合理匹配能夠獲得成形良好、無缺陷的焊縫，焊縫中部為等軸細(xì)晶，熔合線附近是柱狀晶組織。焊縫各區(qū)域硬度高于母材，焊縫中部厚度方向上硬度基本相同，焊縫的平均屈服強(qiáng)度是母材的1.78倍，平均抗拉強(qiáng)度是母材的1.51倍。母材橫向拉伸斷口韌窩較深，為延性斷裂；焊縫縱向拉伸斷口韌窩較淺，具有延性和脆性斷裂兩種特征。

鋁合金；CO2激光焊接；組織；性能

0 前言

5A02鋁合金為Al-Mg非熱處理強(qiáng)化鋁合金，有良好的成形加工性能，疲勞強(qiáng)度高、塑性和耐蝕性好，主要用于制造飛機(jī)油箱、船舶、車輛、壓力容器等。在這些領(lǐng)域采用TIG焊，其功率密度為102～104W／cm2，較大的熱輸入往往導(dǎo)致焊接變形和焊接殘余應(yīng)力大，焊后需要矯形，焊接工藝過程復(fù)雜，不僅焊接效率低，還易形成未熔合、夾雜、氣孔、結(jié)晶裂紋等缺陷。激光焊接功率密度可達(dá)107W／cm2，由于能量密度高、焊接靈活性好、焊接速度快、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航空航天、汽車、微電子等領(lǐng)域。激光焊接可以減小焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)寬度，焊接變形小，深寬比大，因此激光焊接效率高于TIG焊接。本研究對(duì)2 mm厚的5A02鋁合金進(jìn)行激光焊接工藝試驗(yàn)，分析激光焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，為5A02鋁合金激光焊接工藝提供參考。

1 試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)材料為5A02鋁合金，化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)中對(duì)鋁合金進(jìn)行激光平板焊接，板厚2.0 mm，尺寸150mm×50mm，焊接方向與板材軋制方向相同，形成縱向焊縫。

表1 5A02鋁合金的化學(xué)成分%Tab.1 Chemical Composition of 5A02 Aluminium Alloy

激光焊接設(shè)備為RSB-1700軸流、波長10.6 μ m的CO2激光器，配備800 mm×1 200 m數(shù)控工作臺(tái)。光束聚焦方式為透鏡聚焦，輸出方式為連續(xù)輸出，模式為TEM00。

選擇Ar為焊接高溫區(qū)保護(hù)氣體和等離子體控制氣體，保護(hù)方式為同軸保護(hù)+側(cè)保護(hù)+背面保護(hù)。同軸保護(hù)氣體流量30 L／min，背面保護(hù)和側(cè)保氣體流量5L／min。離焦量f＝-0.5mm，激光功率1.25～1.53 kW，焊接速度1.5～1.8 m／min。金相組織觀察腐蝕劑為混合酸：HF 2 ml，HCl 13 ml，HNO35 ml，H2O 250 ml。使用HX-1000維氏硬度計(jì)進(jìn)行接頭硬度測(cè)試，載荷0.5 N，加載時(shí)間20 s，加載速率35 m／s。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB2651-89《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》確定橫向拉伸試件尺寸?？v向拉伸試件尺寸如圖1所示[1]，焊縫平均強(qiáng)度為

式中 σj為縱向接頭強(qiáng)度；σh為焊縫平均強(qiáng)度；σ為母材強(qiáng)度；b為試件寬度；bh為焊縫寬度。拉伸試驗(yàn)在INSTRON 1186電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。使用S-570掃描電子顯微鏡分析拉伸試件斷口形貌。

圖1 縱向拉伸試件形狀尺寸Fig.1 Shape and dimension of longitudinal tensile specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面成形和熔合區(qū)截面形狀

當(dāng)激光功率較小、焊接速度較低時(shí)，焊縫表面光滑，隨著激光功率和焊接速度的增加，焊縫表面出現(xiàn)魚鱗波紋形狀，如圖2所示(激光功率P＝1.53kW，焊接速度v＝1.8 m／min，離焦量f＝-0.5 mm)。焊縫高度與母材基本相同，焊縫兩側(cè)不存在咬邊，焊縫截面為酒杯狀，上表面熔寬大約是下表面熔寬的兩倍，焊縫中沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，如圖3所示。

圖2 焊縫表面成形Fig.2 Weld appearance

圖3 熔合區(qū)截面形狀Fig.3 Cross section of fusion zone

2.2 接頭微觀組織

母材的金相組織如圖4所示，合金在室溫下為α相(Mg在Al中的固溶體)+少量β相(金屬間化合物Mg2Al3)，β 相呈彌散點(diǎn)粒狀分布[2]。圖5a為低倍觀察獲得的熔合區(qū)，激光焊接時(shí)，由于焊接熔池很小，冷卻速度快，金屬處于過熱狀態(tài)，熔池是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的非平衡結(jié)晶，因而焊縫金屬結(jié)晶時(shí)首先在熔池壁與母材連生長大結(jié)晶，形成柱狀晶。由于該處母材過熱區(qū)晶粒粗大，焊縫金屬晶粒是和熔合線附近母材晶粒保持同一晶軸，所以焊縫中連生柱狀晶也較粗大(見圖5b)。柱狀晶成長主干方向與熔合線垂直，此方向平行于最大導(dǎo)熱方向[3]。由于熱擴(kuò)散和溫度分布不均勻，導(dǎo)致部分柱狀晶出現(xiàn)偏向和生長停止。隨著柱狀晶不斷向焊縫中心長大，柱狀晶變得越來越細(xì)。由于焊縫中心冷卻速度較慢，因此，在焊縫凝固后期，熔池中心自發(fā)形核并長大形成等軸晶(見圖5c)，焊縫中心的組織特征是α(Al)+ α+Mg2Si形成的共晶網(wǎng)絡(luò)狀組織。為確定鋁合金激光焊縫的冷卻速度，利用鋁合金凝固過程中枝晶間距d和冷卻速度CR之間的關(guān)系d＝70CR-0.39計(jì)算冷卻速度[4]，當(dāng)d＝2.09 μ m時(shí)，冷卻速度CR＝7 883 K／s，而TIG焊的冷卻速度為1 200～1 800 K／s，可見激光焊接的冷卻速度為TIG焊的4～6倍。

圖4 母材組織Fig.4 Base metal morphology

2.3 接頭硬度分布

焊接接頭維氏硬度以焊縫中心為分界左右大致對(duì)稱(見圖6a)，在距離焊縫中心左右各0.9 mm以內(nèi)，即熔合區(qū)以內(nèi)，平均硬度為46 Hv，而在0.9 mm以外的HAZ硬度值和母材基本相當(dāng)，平均硬度值為35Hv。在焊縫中心至上而下硬度變化不大(見圖6b)。影響焊縫硬度因素有三個(gè)：(1)焊縫中部為等軸細(xì)晶，細(xì)晶強(qiáng)化作用使得焊縫硬度增高。(2)高溫下，Mg在Al中的溶解度增大，金屬間化合物首先融入固溶體中，然后從固溶體中析出，析出強(qiáng)化作用增強(qiáng)，也使焊縫硬度高于母材。(3)Al-Mg合金中，Mg的高蒸汽壓和低熔點(diǎn)導(dǎo)致Mg在激光焊接熔池表面蒸發(fā)燒損，會(huì)降低焊縫硬度。5A02母材的鎂含量比較低，在焊接過程中鎂元素的損耗比較小，所以，前兩種使焊縫硬度增加的結(jié)果大于后一種使焊縫硬度降低的結(jié)果，焊縫硬度高于母材。在熔合線附近，硬度稍高于焊縫中心，這可能是結(jié)晶時(shí)溶質(zhì)Mg在熔合線附近富集的緣故。

圖5 熔合區(qū)的微觀組織(P＝1.53 kW，v＝1.8 m／min，f＝-0.5 mm)Fig.5 Microstructures showing the grain structures inside the fusion zone

圖6 硬度分布Fig.6 Distribution of joint hardness

HAZ溫度較低，這一區(qū)域沒有出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，雖然固相反應(yīng)時(shí)出現(xiàn)了晶粒長大、沉淀粗化現(xiàn)象，但是合金元素沒有耗損，因此硬度幾乎沒有降低。

2.4 接頭拉伸性能

5A02母材和焊接接頭橫向(載荷垂直焊縫方向)和縱向(載荷與焊縫方向相同)拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。所有焊接試件的離焦量均為-0.5 mm，焊接線能量是指激光功率和焊接速度的比值，所有焊縫均為全熔透焊縫。由表2可知，所有橫向焊件均斷裂于母材，說明焊縫的強(qiáng)度高于母材，試件母材部分發(fā)生了明顯的收縮，但焊縫幾乎沒有收縮而凸出，對(duì)試件的變形產(chǎn)生了一定的拘束作用，因此試驗(yàn)所得的延伸率和母材相比略有下降。

縱向拉伸試驗(yàn)的目的是考查接頭的斷裂行為。

表2 橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of transverse tensile experiments

表3 縱向拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of longitudinal tensile experiments

由表3可知，焊縫的平均屈服強(qiáng)度是母材的1.78倍，焊縫的平均抗拉強(qiáng)度是母材的1.51倍。焊接線能量較大時(shí)，焊縫截面尺寸也大，焊縫平均強(qiáng)度也高，但延伸率變化不明顯。

2.5 拉伸斷口分析

圖7 拉伸斷口形貌Fig.7 Fractography of tensile specimen

通過SEM分析激光焊縫拉伸斷口的宏觀形貌，掃描照片如圖7所示。母材呈微孔聚集型斷裂，在外力作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈滑移，位錯(cuò)堆積，在縮頸處等局部地方產(chǎn)生顯微空洞，同時(shí)夾雜物破碎、夾雜物和鋁基體金屬界面的破碎造成了微小空洞。這種微小空洞在切應(yīng)力作用下不斷長大、聚集連接，并同時(shí)產(chǎn)生新的微小空洞，最終導(dǎo)致整個(gè)材料斷裂。母材斷口內(nèi)有大量較深的韌窩，在韌窩內(nèi)可以看到夾雜物和第二相粒子。焊縫斷口表面有延性和脆性斷裂兩種特征，其拉長的韌窩不但數(shù)量多，尺寸小，而且韌窩又淺，說明激光焊縫硬化程度高，焊縫的塑性低于母材。由于焊縫斷口可看到局部區(qū)域因撕裂而形成的撕裂棱，所以焊縫斷口為局部延性斷裂。

3 結(jié)論

(1)利用波長10.6 μ m的CO2激光器成功實(shí)現(xiàn)了2 mm厚的5A02鋁合金板的焊接，焊縫外觀成形完美，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，焊縫截面為酒杯狀。隨著焊接線能量的增大，焊縫平均熔寬也增大。

(2)5A02激光焊縫中部為網(wǎng)狀等軸細(xì)晶，熔合線附近為柱狀晶。焊縫各區(qū)域硬度高于母材，焊縫中部至上而下硬度基本相同。

(3)橫向拉伸試件斷裂于母材，表明母材強(qiáng)度低于焊縫。采用縱向拉伸試驗(yàn)確定激光焊縫強(qiáng)度，焊縫平均屈服強(qiáng)度為母材的1.78倍，焊縫的平均抗拉強(qiáng)度是母材的1.51倍。橫向拉伸母材斷口有大量深的韌窩，為延性斷裂；而縱向焊縫斷口韌窩淺，具有韌性和脆性斷裂特征。

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Microstructure and mechanical properties in laser beam welding of 5A02 Aluminium alloys

CAO Li-jie
(College of Mechanical Engineering，Shanghai University of Engineering and Science，Shanghai 201600，China)

2 mm thick aluminium alloys 5A02 plates were welded using CO2laser beam in this paper.The laser weld formation and microstructure morphology were studied，the hardness on top and in the weld thickness were measured，also transverse and longitudinal tensile test were made.Moreover，tensile fractographys were analysed with SEM.The test result shows that the cooperation of laser power and welding speed can lead to perfect welds.There are equiaxed grains in center welds.The hardness in the fusion zone is higher than that in the base metal.The longitudinal average yield strengths of the welds were about 178%those of the base metals.The longitudinal average tensile strengths of the welds were about 151%those of the base metals，the base metal with deep dimples displayed a ductile type of fracture，and the welds with shallow dimples displayed ductile and brittle type of fracture.

aluminium alloys；CO2laser beam welding；microstructure；properties

TG456.7

A

1001-2303(2011)07-0063-05

2011-01-26

曹麗杰(1968—)，女，黑龍江佳木斯人，主要從事輕合金的激光焊接工藝研究工作。