光纖激光-MIG復合焊接中厚板鋁合金組織特征

胡佩佩，王春明，胡席遠

(華中科技大學材料學院，湖北武漢430074)

光纖激光-MIG復合焊接中厚板鋁合金組織特征

胡佩佩，王春明，胡席遠

(華中科技大學材料學院，湖北武漢430074)

研究了光纖激光－MIG復合焊接中厚板鋁合金的焊縫組織。結果表明，光纖激光－MIG復合焊接可一次焊透8 mm厚鑄造鋁合金ZL114，焊縫中沒有大的工藝氣孔，也無熱裂紋，但出現較多的冶金氣孔。焊縫主要由α(Al)和Al－Si共晶組成，焊縫上部、中部和下部組織變化不明顯，焊縫沒有分層現象。焊縫較熱影響區和母材組織細密，焊縫和熱影響區的共晶組織類似，但焊縫和母材共晶組織明顯不同，體現在共晶形態和Si含量的不同，但母材的共晶組織在一定的熱循環條件下，可以轉變為與焊縫類似的共晶組織，伴隨的是枝晶數量的減少，枝晶在母材和焊縫中都占絕大部分。

光纖激光；激光－MIG；復合焊接；組織特征

0 前言

鋁及其合金以較高的比強度和相對低廉的制造和使用成本而廣泛應用于航空航天制造領域。在世界性能源危機的情況下，高強鋁合金在結構材料中所占的比例大大增加，是新一代高速列車、轎車的理想材料，將帶來明顯的結構輕型化，從而產生巨大的經濟效益和社會效益[1]。文獻[2]研究表明，CO2激光－MIG復合焊接高強鋁合金2519－T87的效率是MIG焊的五倍；焊接熔深更大，接頭的抗拉強度也提高到母材的70%以上，而MIG焊接頭抗拉強度僅為母材的60%。由于復合焊的熱輸入比較小，而且熔池中熔融金屬的流動情況和溫度梯度與MIG焊有很大不同，復合焊的焊縫組織較MIG焊的更加細小，接頭處也沒有發現MIG焊接頭中出現的等軸晶區。文獻[3]研究表明，采用YAG激光－MIG復合焊接鑄造鋁合金ZL114A，焊縫金屬組織普遍比鑄造組織細小。

以上研究表明，激光－MIG復合焊接具有明顯優于單MIG的焊接工藝性能。但需要指出的是，由于現有的CO2激光或者YAG激光焊接鋁合金時的穿透能力有限，目前在中厚板和大厚板鋁合金的焊接過程中普遍采用多層焊接，這會相對地增加焊接熱輸入，也使焊縫組織形貌變得更加復雜。如果能夠一次焊透焊縫，不僅可以減少焊接熱輸入，細化焊縫組織，焊縫區和母材區的過渡也會更加合理。所以在此研究了光纖激光－MIG復合焊接技術在一次焊透8 mm厚鑄造鋁合金ZL114時的焊縫組織特性。熔透成形，采用MIG－Laser復合方式。采用純Ar作為保護氣體，從MIG焊槍輸出。

1 實驗材料與方法

激光－MIG復合焊接實驗采用IPG YLR－4000光纖激光器，最大輸出功率4 kW，激光通過光纖傳輸經復合焊接頭聚焦，傳導光纖的芯徑為0.3 mm，焦長250 mm；MIG弧焊電源為Fronius TPS4000逆變電源。激光和MIG焊槍旁軸復合而成，如圖1所示，電弧傾角α＝75°，光絲間距DLA＝4 mm。復合焊接方向分為電弧在前的MIG－Laser和激光在前的Laser－MIG兩種復合方式，而MIG－Laser方式的焊縫熔深大于Laser－MIG[4]，為了實現焊縫的一次

圖1 激光－MIG復合焊接示意

實驗用母材為8 mm厚鑄造鋁合金ZL114，尺寸為100 mm×50 mm×8 mm，對接復合焊接時，焊縫未開坡口。母材焊前用丙酮擦拭除油并經化學清洗烘干，焊絲為ER4047鋁合金焊絲，直徑φ 1.2 mm；母材和焊絲化學成分如表2所示。

表2 母材和焊絲的化學成分(質量分數)%

根據GB2651－89焊接接頭拉伸實驗方法制作拉伸試樣，采用WDW－Y100E電子萬能實驗機測試焊縫的拉伸力學性能。

2 實驗結果與討論

2.1 焊縫熱影響區組織分析

光纖激光－MIG電弧復合焊接一次焊透8 mm厚鑄造鋁合金ZL114時的焊縫典型形貌如圖2所示。工藝參數為：激光功率P＝4 kW，電弧電流I＝140 A，焊接速度v＝1 m／min，離焦量f＝－4 mm。焊縫形貌呈“酒杯”形，上部寬大，下部相對窄小。

圖2 光纖激光－MIG復合焊接典型焊縫形貌

焊縫和母材過渡區域的金相照片如圖3所示。和普通電弧焊類似，焊縫具有明顯不同的三個區域，分別為焊縫區(WB)、焊縫熱影響區(HAZ)和母材區(BM)。根據圖3中的標尺，熱影響區的寬度約為150 μ m，比電弧焊窄，所以熱影響區幾乎沒有進一步的細分結構。由于焊縫結晶速度快，晶粒細小，熔合線沒有明顯的聯生結晶現象，但熔合線不規則，這是因為母材晶粒有不同的位相，所以焊接熱循環時，晶粒融化速度不同，進而形成了不規則的熔合線走向[1]。這三個區域的組織都由枝晶和枝晶間共晶組成，但焊縫區組織細小，焊縫熱影響區和母材相對粗大。

對焊縫區和熱影響區組織進一步觀察，如圖4所示。分析表明，焊縫區的共晶組織和熱影響區的共晶組織形態區別不明顯，但分布不同，焊縫區的共晶組織呈網狀分布，且尺寸與枝晶相當；而熱影響區的共晶組織分布呈現塊狀和網狀的混合形態，且尺寸明顯小于共晶間的枝晶。

雖然焊縫區和熱影響區的共晶組織形態區別不明顯，但它們與母材的共晶組織區別較大，如圖5所示。焊縫區、熱影響區共晶組織呈塊狀或網狀，而母材共晶組織為棒狀或粒狀。計算表明，焊縫區、熱影響區和母材的共晶組織占所在組織橫截面積的比例依次減少，而枝晶所占比例則依次增加，呈現明顯的梯度分布。需要指出的是三個區都是枝晶數量占主要部分。

針對焊縫區和母材區的共晶組織的明顯區別，采用能譜儀(EDS)進行了分析，如圖6和圖7所示。共晶組織的能譜分析表明，焊縫和母材的共晶組織都主要由Al、Mg、Si三種化學成分組成，但各成分所占的比例明顯不同。焊縫和母材的共晶組織最大區別就是Al和Si的質量比和原子數比例幾乎正好相反，即焊縫共晶組織Al占大部分(約78%)，而母材共晶組織Si占大部分(約85%)。焊縫和母材的枝晶組織的成分組成和比例區別都不明顯。

以上分析表明：一方面，母材和焊縫的共晶組織形態明顯不同，表現為Al和Si所占的比例相差很大；另一方面，焊縫和熱影響區的共晶組織形態基本類似。而熱影響區是母材經過復合焊接熱循環發生相變以后的組織。這表明母材和焊縫的共晶組織雖然形態和Si含量不同，但母材共晶組織通過一定的焊接熱循環可以轉變為與焊縫類似的共晶組織，但這個過程伴隨的是枝晶數量的減少。

圖3 焊縫區、熱影響區和母材區的過渡連接區域組織形貌

圖4 焊縫區和熱影響區的掃描電鏡(SEM)形貌

圖5 焊縫區和母材區的掃描電鏡(SEM)組織形貌

2.2 焊縫組織分析

圖6 焊縫區和母材區共晶組織的能譜儀(EDS)分析

圖7 焊縫區和母材區的枝晶組織能譜儀(EDS)分析

雖然采用光纖激光－MIG復合焊接技術實現了8 mm鑄造鋁合金的一次成形，但焊縫組織在焊縫厚度方向上是否是一致連續的，需要進行分析。在此進行了焊縫厚度方向上的組織分析，圖8為焊縫沿厚度方向的金相組織照片和掃描電鏡照片，可以看出，焊縫組織在厚度方向上的組織區別不明顯。這是因為在激光－電弧復合焊接過程中，有一股強烈的電磁對流，從激光小孔尖端開始，沿著熔池底部快速流向熔池后部[5]。激光小孔尖端為熔池底部，熔池的最后部即為焊縫上部。這種對流強化了焊縫上下部的物質交流，有利于焊縫成分的均勻化。另一方面，鑄造鋁合金ZL114的主要成分為Al、Si和Mg，它們相對原子量比較接近，這可以減輕因重力作用而產生的密度流，也有利于焊縫的成分均勻化。

圖8 焊縫沿厚度方向的組織變化

2.3 焊縫缺陷觀察

激光－MIG復合焊接接頭組織細密，未發現熱裂紋，但是存在尺寸較小的氣孔，如圖9所示。通過進一步分析發現，ZL114鋁合金母材本身存在數量較多的縮松、氣孔等鑄造缺陷，如圖10所示。

圖9 接頭氣孔金相照片

對接頭氣孔形貌特征進一步分析發現，氣孔形貌較為規則，近似球形，且內壁能夠觀察到液態金屬結晶過程中留下的枝晶形貌，如圖11所示。分析發現，氣孔的形成原因有兩個，一是ZL114母材原始夾雜及孔隙(見圖10)在激光－MIG復合焊接過程中釋放導致氣孔的產生。另一個原因是焊接過程在熔池冷卻過程中，熔池中氫來不及逸出而形成小的冶金氣孔。

圖10 ZL114原始母材金相照片

圖11 接頭氣孔的高倍掃描電鏡(SEM)形貌

3 結論

(1)光纖激光－MIG復合焊接具有較強的焊縫穿透能力，可以實現8 mm中等厚度的鋁合金的一次成形，焊縫中沒有大的工藝氣孔，沒有出現熱裂紋，但出現大量的工藝氣孔。

(2)焊縫上部、中部和底部都由枝晶和枝晶間共晶組成，組織分布均勻。焊縫和熱影響區的共晶組織類似，焊縫和母材的共晶組織在形態和Al與Si的組成比例都差別巨大，但在一定的熱循環條件下，母材的共晶組織可以轉變成和焊縫類似的共晶，伴隨的是枝晶數量的減少，枝晶在母材和焊縫等區中都占絕大部分。

[1]陳鎧，楊武雄，肖榮詩，等.幾種高強鋁合金的激光填粉焊接[J].應用激光，2005，25(4)：222－226.

[2]許良紅，田志凌，彭云，等.高強鋁合金的MIG以及激光－MIG焊接工藝對比[J].焊接學報，2007，28(2)：38－42.

[3]余陽春，王春明，鄧玉平，等.YAG－MIG復合焊接ZL－114A鋁合金的接頭組織與性能研究[J].激光技術，2008，32(6)：601－604.

[4]高志國，黃堅，李亞玲，等.激光－MIG復合焊中激光與電弧前后位置對焊縫成形的影響[J].焊接學報，2008，29 (12)：69－73.

[5]NAITO Y，KATAYAMA S，MATSUNAWA A.Keyhole Behavior and Liquid Flow in Molten Pool during Laser－Arc Hybrid Welding[C].SPIE，2003：357－362.

Microstructure features of medium thickness aluminum alloy with fiber laser－MIG hybrid welding

HU Pei-pei，WANG Chun-ming，HU Xi-yuan
(School of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Bead microstructure was investigated medium thickness aluminum alloy with fiber laser－MIG hybrid welding，the results showed that fiber laser－MIG hybrid welding could penetrate 8mm foundry aluminum alloy ZL114 by one scan and there were no big process porosity，nor hot cracking，but many metallurgical porosities in the bead.The bead mainly comprised α(Al)and Al－Si eutectic，the microstructure was similar through upper，medium and bottom parts，no stratification was confirmed.The microstructure was smaller than that of heat affected zone(HAZ)and the eutectic between them was similar though it was obviously different between base material and bead reflected in the differences of eutectic profiles and Si content，but the eutectic in base material could transfer into eutectic similar to that in the bead by special heat recycle with the reduction of dendrite quantity while dendrite still domain the base material and the bead microstructure.

fiber laser；laser－MIG；hybrid welding；microstructure

book=42,ebook=354

TG456.7

A

1001－2303(2010)11－0042－06

2010－10－12

胡佩佩(1986—)，男，湖北廣水人，碩士，主要從事激光電弧復合焊方面的研究工作。