陳 超 陳芙蓉 張慧婧

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料與工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

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熱輸入對7A52鋁合金光纖激光焊接頭組織及性能的影響

陳 超 陳芙蓉 張慧婧

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料與工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

采用IPG公司生產(chǎn)的YLS-6000光纖激光器，對6 mm厚熱軋態(tài)7A52鋁合金進(jìn)行焊接，研究不同焊接參數(shù)對接頭組織及性能的影響。結(jié)果表明，焊縫中心為均勻分布的“雪花”狀等軸晶，組織為α-Al+T(Mg3Zn3Al2)，與母材相同，晶粒大小隨熱輸入的增加而長大；隨熱輸入增加，Mg,Zn元素的燒損逐漸加重；相同熱輸入下，高功率、高焊速能夠降低Mg,Zn元素的燒損；母材硬度最高約為110 HV左右，焊縫中心硬度最低，硬度從焊縫中心向兩側(cè)母材呈“U”型分布；適當(dāng)增大焊接熱輸入，接頭的沖擊吸收能量和抗拉強(qiáng)度均有所提高；在相同熱輸入情況下，高功率、高焊速的接頭沖擊性能降低，抗拉強(qiáng)度有所提高，最大抗拉強(qiáng)度為341 MPa，約為母材的69.8%，7A52鋁合金光纖激光焊接頭拉伸斷口形貌呈韌-脆混合斷裂。

光纖激光焊 顯微組織 力學(xué)性能

0 序 言

7A52鋁合金是我國自行研發(fā)的Al-Mg-Zn中高強(qiáng)裝甲鋁合金，作為國防工業(yè)的重要材料，具有高比強(qiáng)度和比剛度、耐腐蝕性能好、無磁性、低溫性能好等特點(diǎn)，在輕型戰(zhàn)車、戰(zhàn)艦、航空航天器中應(yīng)用最為廣泛[1]。7A52鋁合金焊接方法主要有TIG焊、MIG焊、攪拌摩擦焊(FSW)、電子束焊接、等離子弧焊、激光復(fù)合焊等[2]。目前7A52鋁合金高能束焊接主要在電子束焊接方面，翟熙偉、陳芙蓉等人[3-4]對7A52鋁合金電子束焊接進(jìn)行了研究，焊縫組織為α-Al + T(Mg3Zn3Al2)與母材相同，且鎂、鋅元素?zé)龘p嚴(yán)重導(dǎo)致焊縫中心硬度降低，抗拉強(qiáng)度為母材的 87%，焊縫維氏硬度最低值為母材的61%，焊縫沖擊吸收能量為母材的95.4%，接頭獲得了良好性能。

光纖激光焊焊接方法研究剛剛起步，錢紅麗等人[5]對4 mm厚7A52鋁合金的組織性能進(jìn)行了研究。

但熱輸入對7A52鋁合金光纖激光焊接頭組織與性能的研究鮮有報(bào)導(dǎo)。因此，文中將通過金相組織觀察、焊接接頭成分分析、顯微硬度試驗(yàn)、焊接接頭抗拉強(qiáng)度及沖擊吸收能量等力學(xué)性能并對斷口形貌進(jìn)行分析，對7A52鋁合金焊接接頭組織性能受熱輸入的影響變化進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明，為今后7A52鋁合金光纖激光焊的進(jìn)一步研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用7A52鋁合金，規(guī)格為100 mm×80 mm×6 mm的板材，化學(xué)成分見表1。

采用IPG公司生產(chǎn)的YLS-6000光纖激光器，對熱輸入為120 J/mm和熱輸入為143.3 J/mm的試件進(jìn)行對焊試驗(yàn)，具體焊接參數(shù)見表2。

表1 7A52鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 7A52鋁合金光纖激光焊參數(shù)

利用德國Axio lmager.A1m型蔡司顯微鏡觀察焊接接頭微觀組織；采用能譜分析，對焊縫中心附近的元素含量進(jìn)行測量分析；采用上海泰明公司HXD-1000TM型維氏硬度計(jì)從焊縫中心向兩側(cè)母材測量硬度，加載 100 g，加載時間 15 s，間隔0.2 mm；拉伸試驗(yàn)在WDW-200微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，試樣制備參照 GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，具體試件尺寸如圖1所示；在JBH-300示波沖擊試驗(yàn)機(jī)上，采用 V 型缺口沖擊試樣，試樣制備標(biāo)準(zhǔn)按照 GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》。

圖1 拉伸試件尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織觀察

圖2為三組不同焊接參數(shù)下的7A52鋁合金焊接接頭金相組織。圖2a～2f分別是1號試樣、2號試樣、3號試樣的焊縫中心及熔合線附近的金相組織。

由圖2可以看出焊縫中心均勻分布著“雪花”狀等軸晶，這主要是由于焊縫中心熱循環(huán)慢，有較小的溫度梯度、散熱慢，有利于晶粒的充分長大，故此等軸晶在焊縫中心均沿散熱方向長大；熔合線附近形成了一定范圍的細(xì)晶區(qū)，細(xì)晶區(qū)與焊縫中心之間晶粒呈柱狀晶分布且生長方向朝焊縫中心生長，這主要是由于鋁合金熱導(dǎo)率大，焊接過程中光纖激光器提供的能量快速流失，近熔合線附近的晶粒來不及長大，形成了細(xì)小的晶粒，又因?yàn)楹缚p中心的熱量散失相對較慢，因此柱狀晶朝焊縫中心散熱方向生長。

7A52鋁合金在高能束焊接過程中總是伴隨著Mg,Zn元素?zé)龘p，表3為能譜分析測得的三組試件焊縫中心的原子含量表。對照Al-Zn-Mg系合金平衡圖，可知三者焊縫中心組織均為α-Al+T(Mg3Zn3Al2)與母材相同。從表2可以看出三者M(jìn)g,Zn元素含量均呈不同程度燒損，其中2號試樣的燒損程度最低，3號試樣的燒損程度最高。在相同熱輸入的情況下高功率高焊速的2號試樣的Mg,Zn元素的燒損情況要好于1號試樣，這是因?yàn)殇X合金熱導(dǎo)率大在高速焊接過程中接頭的散熱速度得到加快所以降低了Mg,Zn元素?zé)龘p程度；當(dāng)增大熱輸入(3號試樣)以后，由于焊縫中心熱量相對更加集中且散熱速度慢，所以此時的Mg,Zn元素?zé)龘p情況最為嚴(yán)重；從表中還可以發(fā)現(xiàn)Zn元素的燒損情況要大于Mg元素的燒損情況，這主要是由于Zn元素的沸點(diǎn)要低于Mg元素的沸點(diǎn)所致。

圖2 金相組織照片

元素MgZn其它元素母材2.615.5691.831號3.002.7894.252號3.302.9093.803號2.742.6094.66

2.2 顯微硬度試驗(yàn)

圖3為三組焊接接頭的顯微硬度曲線。從圖中可以看出三組試件的最低硬度值均出現(xiàn)在焊縫中心處，硬度值沿焊縫中心向兩側(cè)母材呈“U”型分布，這主要是因?yàn)楹缚p中心向兩側(cè)呈現(xiàn)粗大的等軸晶—柱狀晶—細(xì)晶區(qū)等原因，與上述金相組織觀察相互驗(yàn)證。

對比1號、2號試件即在相同熱輸入條件下，可以發(fā)現(xiàn)兩者的焊縫中心硬度值并未發(fā)生明顯變化；增大熱輸入后即3號試件，可以發(fā)現(xiàn)焊縫中心硬度值明顯降低(可知三者中3號試樣焊縫中心的等軸晶粒最大)，但由于鋁合金熱導(dǎo)率大、散熱快，導(dǎo)致三者熔合線附近的晶粒生長狀態(tài)相近，所以這一范圍內(nèi)的硬度值基本相當(dāng)。

圖3 接頭顯微硬度分布

綜上所述，并結(jié)合Mg,Zn元素?zé)龘p情況分析可知：熱輸入對焊接接頭焊縫中心處的硬度值影響很大；同時Mg,Zn元素在7A52鋁合金中主要起強(qiáng)化作用，元素?zé)龘p越嚴(yán)重接頭硬度越低。

2.3 沖擊試驗(yàn)

對焊后3組試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，具體結(jié)果見表4?？芍跓彷斎霝?20 J/mm時，即1號試件的平均沖擊吸收能量為4.84 J，大于2號試件的平均沖擊吸收能量為4.09 J；當(dāng)熱輸入提高到143.3 J/mm時，即3號試樣，其平均沖擊吸收能量為5.38 J，與2號試件相比較單純的增大功率以后焊接接頭的沖擊吸收能量提高了1.29 J。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知在相同熱輸入情況下，高功率、高焊速下的焊接接頭沖擊性能發(fā)生小幅度降低；再適當(dāng)增大焊接熱輸入后，接頭的沖擊吸收能量明顯提高。

表4 7A52鋁合金沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 拉伸試驗(yàn)

表5為7A52鋁合金光纖激光焊接頭抗拉強(qiáng)度?？芍?號試樣焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度最大為337 MPa，7A52光纖激光焊最大抗拉強(qiáng)度為341 MPa，約占母材的69.8%；對比1號試樣與2號試樣可以發(fā)現(xiàn)在相同熱輸入時，高功率、高速焊能夠使焊接接頭抗拉強(qiáng)度得到一定提高；1號試樣的平均抗拉強(qiáng)度為332 MPa，3號試樣的平均抗拉強(qiáng)度為336 MPa，由此可知在其他參數(shù)不變時，功率適當(dāng)增加會提高接頭抗拉強(qiáng)度。

圖4為2號試件的拉伸斷口微觀形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)存在深淺、大小不一的韌窩，同時斷裂前并未發(fā)生明顯的塑性流動，即為韌-脆混合斷裂。

表5 7A52鋁合金拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 拉伸斷口形貌

3 結(jié) 論

(1)7A52鋁合金光纖激光焊，焊縫中心晶粒為粗大的“雪花”狀等軸晶；沿焊縫中心到兩側(cè)融合線，晶粒分布依次為等軸晶→柱狀晶→細(xì)晶區(qū)。

(2)焊縫中心組織為α-Al+T(Mg3Zn3Al2)與母材相同；Mg,Zn元素的燒損隨焊接熱輸入的增加而增大；在相同熱輸入時，選擇高功率、高焊速施焊可以降低Mg,Zn元素的燒損。

(3)焊接接頭硬度沿焊縫中心向兩側(cè)呈“U”型分布；母材硬度值約為110 HV左右，焊縫中心硬度值最低；焊縫中心硬度值隨熱輸入增加，明顯降低。

(4)適當(dāng)增大焊接熱輸入，接頭的沖擊吸收能量和抗拉強(qiáng)度均有所提高；在相同熱輸入情況下，高功率、高焊速的接頭沖擊性能減小，抗拉強(qiáng)度得到一定提高，最大抗拉強(qiáng)度為341.05 MPa，約占母材的69.8%；7A52鋁合金光纖激光焊接頭拉伸斷口形貌呈韌-脆混合斷裂。

[1] 田福泉,李念奎,崔建忠.超高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)韌化的發(fā)展過程及方向[J].輕合金加工技術(shù),2005, 133(12):1-9.

[2] Huang J W, Yin Z B. Microstructure and properties of 7A52 Al alloy welded joint[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008(4):12-13.

[3] 翟熙偉, 陳芙蓉, 畢良艷,等. 7A52鋁合金電子束焊接參數(shù)及性能[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2012, 33(8):73-76.

[4] 畢良艷, 陳芙蓉, 翟熙偉. 7A52鋁合金電子束焊接頭的組織與性能[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(7):151-153.

[5] 錢紅麗, 周 琦, 陳 俐,等. 7A52鋁合金光纖激光焊接頭組織性能分析[J]. 焊接, 2014(9):49-52.

2016-03-21

內(nèi)蒙古青年科技英才領(lǐng)軍人物基金項(xiàng)目(103-841025)

TG456.3

陳 超，1990年出生，碩士研究生。主要從事鋁合金激光焊研究。