郭輝華 李明仁 黃建科 徐 亮 肖榮詩

(1 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)(2 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

2524與7150鋁合金激光焊T型接頭的組織與性能

郭輝華1李明仁1黃建科1徐 亮1肖榮詩2

(1 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)(2 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

文 摘 介紹了2524與7150鋁合金激光焊T型接頭優(yōu)化的工藝參數(shù)，并研究了T型接頭在優(yōu)化工藝下的顯微組織與力學(xué)性能，進(jìn)行金相分析、顯微硬度測(cè)試與接頭拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明：優(yōu)化工藝下焊縫沒有裂紋、氣孔，金相組織晶粒細(xì)小、致密，焊縫區(qū)域的硬度最低；T型接頭x方向的拉伸強(qiáng)度達(dá)到384 MPa，z方向的拉伸強(qiáng)度為236 MPa。

2524與7150鋁合金，激光焊接，T型接頭，拉伸強(qiáng)度

0 引言

激光焊接具有能量密度高、變形小、焊縫深寬比大等優(yōu)點(diǎn)，特別是激光焊無需真空室，工藝可達(dá)性好，結(jié)合機(jī)器人和激光視覺傳感系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三維空間焊接及柔性焊接[1]。激光焊在航空制造業(yè)的應(yīng)用日益增多，已經(jīng)成為航空結(jié)構(gòu)材料的理想焊接技術(shù)。激光焊接技術(shù)在航空上的首次應(yīng)用是在空客A318飛機(jī)機(jī)身下壁板上，用來代替鉚接結(jié)構(gòu)[2]，近年來, 隨著機(jī)型種類的多樣化, 焊接機(jī)身壁板的數(shù)量也急劇上升,激光焊接技術(shù)在隨后的A340、A350、A380等型號(hào)上均得到了應(yīng)用[3]，主要用于飛機(jī)蒙皮與桁條的連接。因此，T型連接是飛機(jī)制造中激光焊接應(yīng)用的主要接頭形式。

要實(shí)現(xiàn)T型連接，通常采用雙光束激光焊接技術(shù)，即采用兩束激光同步照射在焊縫的兩側(cè)。2524鋁合金材料常用于飛機(jī)蒙皮的制造，7150鋁合金大量用于飛機(jī)的長桁。因此，本文選用飛機(jī)制造中常用的2524與7150鋁合金材料，開展了雙光束激光焊接工藝試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

采用2524-T3板材與7150-T77511型材作為試驗(yàn)材料，2524-T3板材的尺寸為200 mm×100 mm×2.0 mm，7150-T77511型材的尺寸為100 mm×28 mm×1.8 mm，試驗(yàn)材料的成分如表1所示。

表1 材料成分

1.2 試樣制備

T 型接頭雙光束同步激光焊接時(shí)，激光器采用的是一臺(tái)片狀固體激光器和一臺(tái)光纖固體激光器，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是Kuka機(jī)器手。

試驗(yàn)采用北京工業(yè)大學(xué)研發(fā)的鋁合金激光焊接送絲機(jī)(專利號(hào)：ZL200510132110.4)。

激光焊接時(shí)在焊接頭已經(jīng)選定的情況下，主要的焊接工藝參數(shù)包括激光功率、焊接速度、焊絲直徑、送絲角度、送絲位置、送絲速度及保護(hù)氣體與流量等。

工藝參數(shù)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)是: 表面成形良好，無裂紋、氣孔等缺陷，無明顯變形。

1.3 性能評(píng)價(jià)

采用Olympus PMG3型金相顯微鏡進(jìn)行金相分析，配備有CCD圖像采集和分析軟件。對(duì)激光焊T型接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，壓頭載荷N=100 g，測(cè)試點(diǎn)間距0.3 mm。

T型接頭拉伸試驗(yàn)時(shí)分別沿試樣z軸和x軸方向進(jìn)行加載。拉伸試驗(yàn)采用MTS-810 Material Test System萬能液壓拉伸試驗(yàn)機(jī)，最大載荷為100 kN。沿x軸方向加載的試樣，取樣方法見圖1(a)，試樣尺寸按照HB5143—96確定，如圖1(b)所示。z向拉伸試樣取樣方法及尺寸如圖2所示。

圖1 x向拉伸試樣取樣方法及尺寸Fig.1 Sampling method and dimensions for tensile specimen in x direction

圖2 z向拉伸試樣取樣方法及尺寸

2 結(jié)果及分析

2.1 工藝優(yōu)化結(jié)果

工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，采用較高的焊接速度可以減少焊縫氣孔的出現(xiàn)，主要是由于高速下高溫激光熔池存在的時(shí)間較短，吸氫量較小。兩臺(tái)固體激光器采用拖絲焊，主要工藝參數(shù)相同，激光功率P=3 kW、焊接速度V=8 m/min、焊絲直徑Φ=1.2 mm、焊絲與板表面夾角20°、焊絲與焊接方向夾角30°。焊接中的保護(hù)氣體采用Ar∶He=1∶1的混合氣體。

(1)焊絲選擇

在T型接頭雙光束激光焊接中，分別使用5083-Zr和AlSi12焊絲進(jìn)行焊接。使用5083-Zr焊絲的焊縫表面出現(xiàn)橫向裂紋，而使用AlSi12焊絲的焊縫沒有出現(xiàn)裂紋。采用AlSi12焊絲，對(duì)于鋁合金焊縫的冶金裂紋有很好的愈合作用。

(2)填充焊絲與焊接參數(shù)匹配

激光功率P=3 kW,焊接速度v=8 m/min。當(dāng)送絲速度W=6 m/min時(shí),填絲焊接過程波動(dòng)性略大，接頭表面成形的穩(wěn)定性略差，而W=5 m/min焊接接頭表面成形均勻、穩(wěn)定。因此，送絲速度選為W=5 m/min。

(3)光纖激光與片狀激光兩側(cè)的配合

光纖激光焦點(diǎn)位置Δf=+5 mm時(shí)所形成的焊縫具有較好的熔深。而片狀激光的焦點(diǎn)位置也為Δf=+5 mm時(shí)，熔深不足，焊縫內(nèi)部未焊透；而當(dāng)Δf=+2 mm時(shí)，雖然兩側(cè)焊縫可以互相熔透，但由于熔透體積較小，兩側(cè)深熔小孔貫通不良，所以焊縫內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣孔；只當(dāng)Δf=0時(shí)，兩側(cè)深熔小孔貫通良好，使焊縫整體成形良好，避免了氣孔的產(chǎn)生。

2.2 顯微組織

圖3是T型接頭橫截面形貌，可見焊縫區(qū)域沒有出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，T型接頭兩側(cè)的焊縫形貌較為勻稱，兩側(cè)焊縫區(qū)之間沒有明顯的界線，表明已完全焊透。圖4為T型接頭各典型部位的金相組織，圖中焊縫區(qū)域的晶粒細(xì)小，這主要是由于激光焊接速度較快，晶粒沒有明顯的長大；在材料熔合線附近(圖3中a,c,d的位置)，焊縫與母材間熔合情況良好，說明母材與焊絲材料熔化充分。

圖3 T型接頭橫截面形貌

圖4 T型接頭典型部位金相組織(圖3中a、b、c、d位置)

T型接頭的顯微硬度測(cè)試路徑見圖5，結(jié)果見圖6。

圖5 顯微硬度測(cè)試路徑

圖6 焊縫區(qū)域的顯微硬度

可以看到，焊縫區(qū)域的硬度最低，7150材料側(cè)的硬度最高。這是由于高強(qiáng)鋁合金在經(jīng)歷激光焊接后，原材料的強(qiáng)化效果都將減弱，在強(qiáng)化機(jī)制下形成的組織遭到完全破壞，在快速冷卻過程中變成鑄態(tài)組織；另外，材料中的有益合金元素在激光焊接過程中會(huì)大量蒸發(fā)，焊縫必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的軟化現(xiàn)象，會(huì)使其強(qiáng)度與硬度下降。

2.3 接頭靜力拉伸性能

母材2524鋁合金的抗拉強(qiáng)度為432 MPa。T型接頭x向拉伸強(qiáng)度是384 MPa,達(dá)到母材的89%；z向拉伸的強(qiáng)度是236 MPa，達(dá)到母材的55%，這一強(qiáng)度高于攪拌摩擦焊接的z向拉伸強(qiáng)度173.6 MPa[4]。

圖7為2524-T3/7150-T77511 T型接頭水平拉伸斷裂宏觀形貌，斷裂由位于底板上焊縫的焊趾處向母材擴(kuò)展形成。這是由于水平拉伸時(shí)，應(yīng)力集中就在承載變截面處，即焊縫的焊趾位置，因此首先從此處開裂，然后按照平板拉伸斷裂的基本規(guī)律在母材中沿板厚方向擴(kuò)展。

圖8為2524-T3/7150-T77511 T型接頭z向拉伸斷裂宏觀形貌，斷裂位置位于長桁的焊縫熔合線附近，并擴(kuò)展至焊縫處。由圖6可以看到，母材的硬度高于焊縫和熱影響區(qū)，而母材7150的硬度明顯高于2524，因此，7150與焊縫間的熔合線成為z向拉伸承載的應(yīng)力集中區(qū)，開裂從此處開始，并向低硬度的焊縫擴(kuò)展。此外，與長桁焊接處的底板在z向拉伸力的作用下已發(fā)生明顯的向上(受力方向)變形，這表明T型接頭在測(cè)試時(shí)已充分受力，焊縫的強(qiáng)度較高。

3 結(jié)論

(1) 獲得了2524-T3/7150-T77511 T型接頭雙光束激光焊接優(yōu)化的工藝參數(shù)：激光功率P=3 kW、焊接速度v=8 m/min、送絲速度W=5 m/min、焊絲直徑Φ=1.2 mm、焊絲為AlSi12焊絲。焊接中的保護(hù)氣體采用Ar∶He=1∶1的混合氣體。另外，當(dāng)光纖激光焦點(diǎn)位置Δf=+5 mm、片狀激光的焦點(diǎn)位置Δf=0時(shí)，可以確保兩側(cè)焊縫可以互相熔透。

(2)在上述優(yōu)化的工藝參數(shù)下，焊縫區(qū)域沒有裂紋、氣孔，金相組織晶粒細(xì)小、致密，T型接頭兩側(cè)熔合區(qū)對(duì)稱性較好。

(3)顯微硬度測(cè)試結(jié)果顯示，焊縫區(qū)域的硬度低于母材，在7150材料側(cè)的硬度最高，z向拉伸時(shí)，7150材料側(cè)熔合線附近是應(yīng)力集中區(qū)。

(4) 2524-T3/7150-77511 T 型接頭x向拉伸強(qiáng)度是384 MPa，達(dá)到了母材的89%；z向拉伸強(qiáng)度是236 MPa，達(dá)到了母材的55%。

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Microscopic Analysis and Mechanical Properties of Laser Beam Welded T Joint for 2524 and 7150 Aluminum Alloys

GUO Huihua1LI Mingren1HUANG Jianke1XU Liang1XIAO Rongshi2

(1 Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210) (2 Beijing University of Technology, Beijing 100124)

Optimum process parameters of laser beam welded T joints for 2524 and 7150 aluminum alloys are investigated in this paper. The microscopic structure and mechanical properties for T joints are studied by metallographic analysis, microhardness and tensile test. Test results show the grain in welding seam is fine and dense.The microhardness is lowest in welding seam. The tensile properties for joints in x direction is 384 MPa, while in z direction is 236 MPa.

2524 and 7150 Aluminum alloys,Laser beam welding,T joint,Tensile strength

2017-06-06

郭輝華，1984年出生，工程師，主要從事飛機(jī)制造工藝研究。E-mail：guohuihua@comac.cc

TG456

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.012