劉軍，孟憲國(guó)，李晨曦，李雙吉，孫澤瑞，劉宏

(1.西安交通大學(xué),金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710049；2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,西安,710100)

0 序言

2219 屬于Al-Cu 系析出強(qiáng)化型鋁合金，具有良好的斷裂韌性和優(yōu)異的低溫性能，在焊接過(guò)程中具有較低的裂紋敏感性，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域主體承載結(jié)構(gòu)，而焊接加工質(zhì)量往往直接決定構(gòu)件的使用壽命和服役安全.

常用于2219 鋁合金的熔化焊方法包括激光焊[1-3]、電子束焊[4]和鎢極惰性氣體保護(hù)焊[5-7]，其中激光焊能量集中、熱輸入小和生產(chǎn)效率高，在生產(chǎn)制造中展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景.在熔化焊的熱作用下，接頭微觀組織的弱化常常引起力學(xué)性能的惡化，加之激光焊技術(shù)更易產(chǎn)生氣孔缺陷.為了防止鋁合金焊接缺陷并改善接頭性能，激光擺動(dòng)焊接工藝可以擴(kuò)大間隙適應(yīng)性、抑制氣孔和凝固裂紋產(chǎn)生和改變晶粒生長(zhǎng)行為[8-11].Wang 等人[9]采用激光線(xiàn)性、圓形和無(wú)窮擺動(dòng)工藝對(duì)5A06 鋁合金焊接進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與非擺動(dòng)焊接相比，擺動(dòng)工藝會(huì)降低焊縫的深寬比，在降低接頭氣孔率的同時(shí)提高抗拉強(qiáng)度.Wang 等人[12]對(duì)比研究了激光無(wú)擺動(dòng)、橫向擺動(dòng)、縱向擺動(dòng)和圓形擺動(dòng)對(duì)6061 焊縫晶粒形成的影響機(jī)制，結(jié)果表明，激光擺動(dòng)焊接通過(guò)攪拌作用改善了焊縫形貌、促進(jìn)熔化區(qū)內(nèi)等軸晶的形成，其中圓形擺動(dòng)焊縫內(nèi)等軸晶數(shù)量最多，但不同擺動(dòng)工藝對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度沒(méi)有顯著影響.Wu 等人[13]對(duì)1060 鋁合金激光擺動(dòng)焊接進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，擺動(dòng)焊接可以改變激光束在匙孔中的作用位置和匙孔開(kāi)口尺寸使匙孔不易塌陷和閉合，有利于降低匙孔型氣孔的大小和數(shù)量.然而，目前關(guān)于2219 鋁合金激光擺動(dòng)焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能的研究報(bào)道較少.

在不同擺動(dòng)頻率和幅度下開(kāi)展了2219-T651鋁合金激光擺動(dòng)焊接試驗(yàn)，分析了擺動(dòng)工藝參數(shù)對(duì)焊縫氣孔率、宏觀成形、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，該研究旨在推動(dòng)擺動(dòng)激光焊接技術(shù)在航空航天領(lǐng)域鋁合金承載結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用尺寸為100 mm × 50 mm × 6 mm 的2219-T651 鋁合金試板，其化學(xué)成分如表1 所示.2219-T651 鋁合金的抗拉強(qiáng)度為458 MPa.試驗(yàn)前用砂紙打磨去除表面氧化層，隨后用乙醇擦洗清理表面.

表1 2219-T651 鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 2219-T651 Al alloy

使用IPGYLS-4 000 型光纖激光器并通過(guò)Precitec 型擺動(dòng)頭進(jìn)行激光擺動(dòng)焊接，為防止氧化，采用純度為99.99%的氬氣進(jìn)行三路(主吹、正面和背面)氣體保護(hù).激光離焦量為+3 mm 并垂直作用于試板表面，激光功率為4 kW，焊接速度為3 m/min，光束垂直于焊接方向橫向擺動(dòng)，擺動(dòng)頻率為0～ 400 Hz，擺動(dòng)幅度為0～ 2.5 mm.焊接完成后清理試樣表面，使用MG325 型X 射線(xiàn)探傷機(jī)進(jìn)行氣孔探測(cè)，隨后使用Image-Pro Plus 6.0 軟件對(duì)氣孔尺寸和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，基于氣孔在焊縫中的面積占比計(jì)算得到焊縫氣孔率.

用線(xiàn)切割切取金相試樣，打磨拋光后用Keller 試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1.0 mL HF+95 mL H2O)進(jìn)行腐蝕，用Nikon ECLIPSE MA200 型倒置光學(xué)顯微鏡和HITACHI SU6600 型掃描電子顯微鏡觀察宏觀和微觀組織，用X 射線(xiàn)能譜儀進(jìn)行元素分析.使用HXD-1000 型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)接頭進(jìn)行硬度測(cè)定，測(cè)試線(xiàn)距試樣上表面1 mm，壓痕間隔0.2 mm，加載載荷0.49 N，保載時(shí)間10 s.垂直焊接方向切取拉伸試樣，尺寸如圖1所示，試樣厚度為2 mm，使用INSTRON 5982 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min.

圖1 拉伸試樣尺寸示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen size

2 結(jié)果與討論

2.1 擺動(dòng)參數(shù)對(duì)焊縫氣孔率和宏觀成形的影響

表2 和圖2 為不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭的宏觀成形情況和X 光氣孔檢測(cè)結(jié)果.當(dāng)擺動(dòng)幅度為1.5 mm、擺動(dòng)頻率從0 Hz 升高至50 Hz 時(shí)，熔寬變化不大；當(dāng)擺動(dòng)頻率繼續(xù)增大后，熔寬顯著增大，隨后幾乎不變，而熔深隨擺動(dòng)頻率的升高逐漸減小.當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz 時(shí)，熔寬隨擺動(dòng)幅度的增大逐漸增大；當(dāng)擺動(dòng)幅度從0 mm 增大至0.5 mm時(shí)，熔深變化不大，繼續(xù)增大擺動(dòng)幅度，熔深顯著減小.

圖2 焊縫的宏觀形貌和X 光氣孔檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Macroscopic morphology and X-ray porosity test results of the welds.(a) without oscillating frequency and amplitude;(b) oscillating frequency 50 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(c) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(d) oscillating frequency 400 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(e) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 0.5 mm;(f) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 2.5 mm

表2 不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭宏觀成形Table 2 Formation of joints under different oscillating frequency and amplitude

圖3 為不同擺動(dòng)頻率和幅度下焊縫的氣孔率.無(wú)擺動(dòng)焊接時(shí)焊縫氣孔率為8.81%，擺動(dòng)焊接時(shí)焊縫的氣孔率低于無(wú)擺動(dòng)焊接時(shí)焊縫的氣孔率.當(dāng)擺動(dòng)幅度為1.5 mm 時(shí)，隨著擺動(dòng)頻率的提高，氣孔率先降低至5.56%(擺動(dòng)頻率150 Hz)，之后逐漸升高至7.29%(擺動(dòng)頻率400 Hz).高頻橫向擺動(dòng)時(shí)，匙孔更細(xì)且形狀更不規(guī)則，這可能會(huì)導(dǎo)致匙孔更不穩(wěn)定，生成更多氣泡[14].當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz 時(shí)，隨著擺動(dòng)幅度的提高，氣孔率不斷下降，當(dāng)擺動(dòng)幅度為2.5 mm 時(shí)，氣孔率降低至1.66%.隨著擺動(dòng)幅度的增大，激光能量作用區(qū)域增加峰值降低，匙孔穩(wěn)定性提升；同時(shí)較寬的擺動(dòng)幅度下熔池更寬更淺，有助于氣泡的逃逸[15-16].此外，由圖3 對(duì)比可知，與擺動(dòng)頻率相比，擺動(dòng)幅度的增加顯著抑制了焊縫氣孔.

圖3 不同擺動(dòng)頻率和幅度下焊縫氣孔率Fig.3 Weld porosity under different oscillating frequency and amplitude.(a) oscillating amplitude1.5 mm;(b) oscillating frequency 150 Hz

2.2 擺動(dòng)參數(shù)對(duì)接頭微觀組織的影響

圖4 為無(wú)擺動(dòng)焊接接頭的微觀組織.接頭可大致分為熔化區(qū)(fusion zone,FZ)、熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)和母材(base metal,BM).與熱影響區(qū)相比，熔化區(qū)主要由尺寸細(xì)小的等軸晶組成.表3 為無(wú)擺動(dòng)焊接接頭能譜分析結(jié)果，可以看出，熔化區(qū)深色區(qū)域?yàn)棣?Al)基體，白色部分為α(Al)+θ(Al2Cu)共晶相，主要分布在枝晶間和晶界.相比于熱影響區(qū)和母材，由于熔化區(qū)含Cu 共晶相大量出現(xiàn)，因此熔化區(qū)α(Al)基體中Cu 元素含量較少.

圖4 無(wú)擺動(dòng)焊接接頭的微觀組織Fig.4 Microstructure of the non-oscillating welded joint.(a) integral joint;(b) weld center;(c) HAZ;(d) BM

表3 無(wú)擺動(dòng)焊接接頭的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 EDS results of the non-oscillating welded joint

圖5 為不同擺動(dòng)頻率和幅度下焊縫中心的微觀組織.當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz、擺動(dòng)幅度為0.5 mm時(shí)，焊縫中心晶粒尺寸和無(wú)擺動(dòng)時(shí)相差不大.當(dāng)擺動(dòng)幅度為1.5 mm 時(shí)，隨著擺動(dòng)頻率的提高，晶粒尺寸有所細(xì)化.當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz 時(shí)，隨著擺動(dòng)幅度提高到1.5 mm 和2.5 mm 時(shí)，在晶粒尺寸細(xì)化方面表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象.

圖5 不同擺動(dòng)頻率和幅度下焊縫中心微觀組織Fig.5 Microstructure of the welds center under different oscillating frequency and amplitude.(a) without oscillating frequency and amplitude;(b) oscillating frequency 50 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(c) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(d) oscillating frequency 400 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(e)oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 0.5 mm;(f) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 2.5 mm

2.3 擺動(dòng)參數(shù)對(duì)接頭顯微硬度的影響

圖6 為不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭的顯微硬度.與母材相比，熔化區(qū)和熱影響區(qū)發(fā)生軟化，熔化區(qū)硬度值最低，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，熱影響區(qū)硬度先迅速升高，且在一定范圍內(nèi)變化不大，然后逐漸升高至母材水平.母材的強(qiáng)化機(jī)制為θ＇沉淀強(qiáng)化，在遠(yuǎn)離焊縫的熱影響區(qū)θ＇部分溶解且部分粗化，越靠近焊縫這一現(xiàn)象加劇，硬度逐漸降低，在靠近焊縫的熱影響區(qū)θ＇完全溶解，硬度曲線(xiàn)出現(xiàn)“平臺(tái)”，該部分強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化，其效果弱于沉淀強(qiáng)化，而熔化區(qū)因發(fā)生嚴(yán)重的Cu 元素偏析，固溶強(qiáng)化效果被顯著削弱，硬度最低[17-18].

圖6 不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭的顯微硬度Fig.6 Microhardness of the joints under different oscillating frequency and amplitude.(a) without oscillating frequency and amplitude;(b) oscillating frequency 50 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(c) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(d) oscillating frequency 400 Hz，oscillating amplitude1.5 mm;(e) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 0.5 mm;(f) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 2.5 mm

無(wú)擺動(dòng)焊接接頭熔化區(qū)的平均硬度約為79.0 HV，當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz、擺動(dòng)幅度為0.5 mm時(shí)熔化區(qū)平均硬度為80.5 HV，其它擺動(dòng)焊接接頭熔化區(qū)平均硬度介于83.2～ 84.2 HV 之間.這可能聯(lián)系于無(wú)擺動(dòng)與擺動(dòng)參數(shù)(擺動(dòng)頻率150 Hz，擺動(dòng)幅度0.5 mm)下焊縫中心晶粒尺寸相差不大，而其它擺動(dòng)參數(shù)下焊縫中心晶粒更為細(xì)小.

2.4 擺動(dòng)參數(shù)對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響

圖7 為不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭的抗拉強(qiáng)度.未擺動(dòng)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為256 MPa，約為母材強(qiáng)度的55.9%.當(dāng)擺動(dòng)幅度為1.5 mm 時(shí)，隨著擺動(dòng)頻率的升高接頭的抗拉強(qiáng)度先升高后降低；當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz 時(shí)，隨著擺動(dòng)幅度的升高，接頭的抗拉強(qiáng)度不斷升高；當(dāng)擺動(dòng)幅度為2.5 mm 時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到318 MPa，約為母材強(qiáng)度的69.4%.焊接接頭拉伸后全部斷裂在熔化區(qū)，表明熔化區(qū)為接頭最薄弱的區(qū)域，這與熔化區(qū)硬度值最低的結(jié)果相一致.

圖7 不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭的抗拉強(qiáng)度Fig.7 Tensile strength of the joints under different oscillating frequency and amplitude.(a) oscillating amplitude 1.5 mm;(b) oscillating frequency 150 Hz

圖8 為不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭斷口的宏觀形貌.在接頭斷口的部分區(qū)域出現(xiàn)了大小不均的孔洞，孔洞來(lái)源于焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔缺陷.為了更好地建立接頭抗拉強(qiáng)度與氣孔缺陷的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)接頭斷口的孔洞面積占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖9 所示.當(dāng)擺動(dòng)幅度為1.5 mm 時(shí)，斷口孔洞面積占比隨擺動(dòng)頻率的升高先減小后增大；當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz 時(shí)，斷口孔洞面積占比隨擺動(dòng)幅度升高而降低.圖9c 為接頭抗拉強(qiáng)度與斷口孔洞面積占比的對(duì)應(yīng)關(guān)系.接頭抗拉強(qiáng)度與斷口孔洞面積相關(guān)性很強(qiáng)，表現(xiàn)為線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系.焊縫中的氣孔將直接對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響，當(dāng)接頭中的氣孔率越高時(shí)，焊縫的有效承載面積越小，接頭的抗拉強(qiáng)度越低.此外，基于線(xiàn)性擬合結(jié)果，當(dāng)焊縫氣孔率為0 時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值為326 MPa，但仍與母材抗拉強(qiáng)度有較大差異.這是由于相比于母材的沉淀強(qiáng)化作用，熔化區(qū)的固溶強(qiáng)化效果較弱，加之Cu 元素存在嚴(yán)重偏析.考慮到不同擺動(dòng)頻率和幅度下焊縫的顯微硬度差別不大，因此可以得出焊態(tài)接頭的抗拉強(qiáng)度主要受制于焊縫氣孔率.

圖8 不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭的斷口宏觀形貌Fig.8 Fracture macroscopic morphology of the joints under different oscillating frequency and amplitude.(a) without oscillating frequency and amplitude;(b) oscillating frequency 50 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(c) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(d) oscillating frequency 400 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(e) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 0.5 mm;(f) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 2.5 mm

圖9 不同擺動(dòng)頻率和幅度下接頭的斷口孔洞面積占比及與抗拉強(qiáng)度關(guān)系Fig.9 Ratio of fracture hole area of the joints under different oscillating frequency and amplitude as well as corresponding relationship to the tensile strength.(a) oscillating amplitude 1.5 mm;(b) oscillating frequency 150 Hz;(c) relationship between ratio of fracture hole area and tensile strength

3 結(jié)論

(1) 激光擺動(dòng)焊接可以降低焊縫氣孔率，與擺動(dòng)頻率相比，擺動(dòng)幅度的增加顯著抑制了焊縫氣孔的產(chǎn)生.當(dāng)激光功率為4 kW、焊接速度為3 m/min、擺動(dòng)頻率為150 Hz 和擺動(dòng)幅度為2.5 mm 時(shí)，焊縫氣孔率從無(wú)擺動(dòng)的8.81%降低到1.66%.

(2) 接頭熔化區(qū)由α(Al)基體和分布在枝晶間和晶界的α(Al)+θ(Al2Cu)共晶相組成，銅的偏析導(dǎo)致基體中銅含量較少.無(wú)擺動(dòng)與擺動(dòng)頻率為150 Hz、擺動(dòng)幅度為0.5 mm 時(shí)焊縫中心晶粒尺寸相差不大.當(dāng)擺動(dòng)幅度為1.5 mm 時(shí)，晶粒尺寸隨著擺動(dòng)頻率的提高有所細(xì)化；當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz，擺動(dòng)幅度提高到1.5 和2.5 mm 時(shí)，同樣存在晶粒細(xì)化現(xiàn)象.

(3) 與母材相比，熱影響區(qū)和熔化區(qū)發(fā)生軟化，靠近焊縫熱影響區(qū)硬度逐漸降低，隨后硬度曲線(xiàn)出現(xiàn)“平臺(tái)”，熔化區(qū)因發(fā)生嚴(yán)重的Cu 元素偏析，固溶強(qiáng)化效果被顯著削弱，硬度最低.受焊縫晶粒尺寸變化的影響，部分?jǐn)[動(dòng)參數(shù)下焊縫的硬度略微升高.

(4) 焊接接頭全部斷裂在熔化區(qū)，無(wú)擺動(dòng)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為256 MPa，約為母材強(qiáng)度的55.9%，當(dāng)擺動(dòng)頻率為150 Hz、擺動(dòng)幅度為2.5 mm時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度高達(dá)318 MPa，約為母材強(qiáng)度的69.4%.接頭的抗拉強(qiáng)度與斷口孔洞面積占比為線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系，預(yù)測(cè)無(wú)氣孔缺陷的接頭的抗拉強(qiáng)度為326 MPa.考慮到不同擺動(dòng)頻率和幅度下焊縫的顯微硬度差別不大，焊縫氣孔率成為焊態(tài)接頭的抗拉強(qiáng)度的主要影響因素.