鋁鋰合金YAG－MIG復合焊縫成形特征及性能研究

許 飛，陳 俐，鞏水利，楊 璟，趙曉明，何恩光

（北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術重點實驗室，北京100024）

鋁鋰合金YAG－MIG復合焊縫成形特征及性能研究

許 飛，陳 俐，鞏水利，楊 璟，趙曉明，何恩光

（北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術重點實驗室，北京100024）

對5A90鋁鋰合金薄板YAG－MIG復合焊縫成形特征及性能進行了研究。結果表明：YAG－MIG復合焊可以顯著改善5A90鋁鋰合金激光焊縫下塌、咬邊等現象，擴大激光焊的最大間隙容許裕度，使之可達1.0mm。復合焊接頭的主要組織特征為細晶層和焊縫區大范圍等軸晶，與激光焊接頭類似。而不同之處表現為復合焊接頭的顯微組織相對粗化，柱狀晶區范圍相對減小。復合焊縫區硬度（83.57HV0.2）低于激光焊縫區硬度（95.65HV0.2），但前者硬度分布更加均勻。復合焊接頭的抗拉強度和斷后伸長率均低于激光焊接頭，拉伸斷裂往往發生在熔合區附近，呈現以脆性斷裂為主的混合斷裂。若使復合焊接頭的綜合力學性能達到使用要求，不僅需要焊后熱處理強化，還需要與母材匹配性更好的焊絲。

鋁鋰合金；激光焊；復合焊；組織；拉伸性能

鋁鋰合金具有低密度、高比強度、高比剛度、優良的耐腐蝕性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常規合金，可使構件質量減輕10%～15%，剛度提高15%～20%，因此成為當代航空航天結構的重要候選材料之一［1，2］。激光電弧復合焊（Hybrid Welding）屬于一種全新高效熱源的焊接方法，既可以充分發揮了兩種熱源各自的優勢，又能夠相互彌補了各自的不足，因此受到國內外的廣泛關注［3－5］。目前，鋁鋰合金激光電弧復合焊接方面的研究相對較少。采用5×××系列鋁合金通用焊絲，在對5A90鋁鋰合金YAG激光－MIG電弧復合焊接工藝研究的基礎上，利用微觀測試分析對5A90鋁鋰合金焊接接頭的組織形態進行了分析，并測試了接頭的顯微硬度和拉伸性能，為飛機用鋁鋰合金大型壁板結構的焊接提供數據支持和實驗基礎。

1 實驗

實驗材料為3mm厚5A90鋁鋰合金軋制板材和直徑1.2mm的ER5356焊絲。5A90鋁鋰合金是一種新型國產化合金材料，與前蘇聯的1420鋁鋰合金相近，具有中等強度、低密度、良好的焊接性能和抗腐蝕性能等特點。母材和焊絲的化學成分見表1。板材尺寸為200mm×100mm，焊前用化學清洗去除試板表面的油污和氧化膜。

表1 5A90鋁鋰合金及填充焊絲化學成分（質量分數／%）Table 1 Chemical compositions of 5A90Al－Li alloy and filler wire（mass fraction／%）

實驗采用HL3006D大功率3kW YAG激光器為核心的激光－MIG電弧復合焊接系統，激光模式為多模。其機械系統部分采用六自由度機械手，送絲系統采用推－拉式TPS4000Alu－Edition鋁焊專機裝置。激光通過光纖傳輸并反射后聚焦于工件表面，焊接過程中工作臺靜止，由機械手帶動激光頭和MIG焊槍相對運動來實現激光復合焊接，如圖1所示。焊接過程中激光頭的中軸線與焊接平面法線成15°，且通入兩路氬氣對焊縫正反面成形進行全面保護。選取優化的焊接工藝參數如表2所示。

圖1 YAG－MIG復合焊接示意圖Fig.1 Sketch of the YAG－MIG hybrid welding

表2 5A90鋁鋰合金焊接工藝參數Table 2 Welding parameters for 5A90alloy

焊接實驗采用平板對接焊方式，焊后從焊接試板上分別取樣，處理后進行金相分析、顯微硬度測試及常溫拉伸實驗等。

2 焊縫成形特征分析

由于鋁合金特殊的物理性質和激光焊接的特點，同其他變形鋁合金相似，鋁鋰合金激光焊焊縫成形較不平整，表面呈現不均勻的“魚鱗紋”特征，焊縫熔寬均勻一致性較差，焊趾表現出不規則的波浪形，焊縫上表面輕微下塌，且與母材過渡處存在輕微的咬邊，如圖2（a）所示。

圖2 激光焊（a）與復合焊（b）的焊縫形貌Fig.2 Weld appearance of LBW （a）and hybrid welding（b）

激光電弧復合焊由于引入電弧，熱源作用面積顯著增大，焊接過程中形成的熔池尺寸比激光焊要大很多，同時焊絲熔化熔入熔池，金屬在凝固過程中充分回填和鋪展，因此復合焊的焊縫形貌與激光焊明顯不同。相對激光焊而言，激光電弧復合焊焊縫表面較為光滑平整，有淺顯的因熔池流動而形成的紋路；焊縫熔寬較寬且均勻一致，表現為明顯的MIG焊焊縫特征。從焊縫截面可以看出，焊縫表面與母材過渡均勻，激光電弧復合焊在增大焊縫熔寬的同時亦能夠保證必要的熔深，顯著改善下塌和咬邊現象，如圖2（b）所示。

激光焊接對接頭間隙要求嚴格，最大間隙容許裕度不超過板厚的10%［6］。采用變間隙對接試驗法對復合焊的最大間隙容許裕度進行了測試，結果如圖3所示。可以發現，復合焊的最大間隙容許裕度可以高達1.0mm，是激光焊的3～5倍。因此，復合焊比激光焊具有更好的工程適應性。

圖3 裝配間隙對復合焊縫成形的影響Fig.3 Effect of assembled gap on weld appearance by hybrid welding

3 焊接接頭的組織形態分析

圖4 5A90鋁鋰合金激光焊接接頭組織（a）宏觀截面；（b）熔合區 A區；（c）熔合區B區；（d）焊縫C區；（e）焊縫 D區；（f）焊縫E區Fig.4 Structure of laser welding in 5A90alloy（a）cross－section of joint；（b）A zone near by fusion－line；（c）B zone near by fusion－line；（d）dendritic equiaxed grain of C zone；（e）mixed equiaxed grain of D zone；（f）cellular equiaxed grain of E zone

圖4為3mm厚5A90鋁鋰合金激光焊接接頭組織?？梢园l現，接頭中、上部熔合區附近組織最為復雜，各區域組織形態差異顯著。與常規鋁合金焊接頭組織不同，鋁鋰合金焊接頭在HAZ與柱狀晶區之間存在一條晶粒尺寸非常細小的細晶層；柱狀晶區范圍從頂部到底部逐漸縮小，至焊縫中部完全消失，見圖4（b）；焊縫區大部分以等軸晶形式存在，見圖4（d），（e），（f），其接頭組織分布示意如圖5所示。至接頭中部，熔合區附近細晶層與焊縫中心等軸晶區已無明顯界線。與激光焊接頭類似，5A90鋁鋰合金YAG－MIG復合焊接頭的顯微組織（見圖6）也同樣呈現上述特征。與激光焊接頭相比，復合焊接頭中細晶層的分布范圍和晶粒尺寸更大；柱狀晶區被壓縮致使焊縫中等軸晶區范圍獲得顯著擴展；等軸晶區的晶粒被明顯粗化。這主要是由于激光焊接過程中熔入焊絲，彌補了熔池中易蒸發燒損的合金元素（如Mg等）［7］，致使熔池中的成分過冷度增加，進一步促使熔池中晶體的異質形核。焊絲中Ti含量為母材的3倍，這也為熔池中晶體的異質形核提供了更為豐富的難熔質點。在優化工藝條件下，復合焊時能量輸入比激光焊接時的能量輸入高很多，熔池體積較大［5］，致使液態熔池的冷卻時間稍有延長和冷卻速率略有降低［8］，但這對接頭各區域晶體尺寸及各區域分布范圍的影響卻遠小于焊絲對熔池中成分過冷度的影響，這也是造成復合焊接頭與激光焊接頭組織形態差異的主要原因。

圖5 焊縫中的組織分布示意圖Fig.5 The sketch of microstructure distribution

圖6 鋁鋰合金YAG－MIG復合焊接頭組織 （a）宏觀截面；（b）熔合區A區；（c）焊縫D區Fig.6 Structure of 5A90Al－Li alloy by YAG－MIG hybrid welding（a）cross－section of joint；（b）A zone near by fusion－line；（c）mixed equiaxed grain of D zone

另外，無論激光焊或復合焊，其焊接接頭的熔合區和細晶層與柱狀晶交界區域雖然范圍相對較窄，但由于在組織形態上存在較大的不均勻性［9，10］，因此很可能成為焊接接頭的薄弱環節。

4 焊接接頭的顯微硬度

圖7為5A90鋁鋰合金焊接接頭顯微硬度分布，可以發現鋁鋰合金接頭普遍存在焊縫區硬度較低的現象，越靠近焊縫中心硬度越低。復合焊焊縫區的顯微硬度更低，平均顯微硬度僅為83.57HV0.2，而激光焊焊縫的平均顯微硬度為95.65HV0.2，MIG焊焊縫的平均顯微硬度為77.38HV0.2，分別為母材硬度的67.52%，77.28%和62.55%。但是復合焊焊縫硬度分布比激光焊焊縫更加均勻，這也正好和前述復合焊焊縫區晶粒更加粗化相一致。而細晶層硬度與母材相當，這也正與細晶層的組織形態特征相符合。

圖7 鋁鋰合金焊接頭顯微硬度分布 （a）復合焊；（b）激光焊；（c）MIG焊Fig.7 Distribution of microhardness of weld joint in 5A90 （a）hybrid welding；（b）LBW；（c）MIG welding

5 焊接接頭的拉伸性能

鋁鋰合金薄板焊接接頭和母材的拉伸性能如表3所示。復合焊和激光焊接接頭的抗拉強度分別為母材的69.81%和79.22%，斷后伸長率分別為母材的14.62%和20.38%。與激光焊接接頭相比，復合焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率均有一定程度的降低，這與復合焊焊縫區組織更加粗化和焊縫區平均硬度較低相符。

表3 鋁鋰合金焊接接頭和母材的拉伸試驗結果Table 3 Tensile test average results of joints and base metal

另外，試驗觀察發現首先產生屈服的部位在熔合區，而且在屈服的部位產生最終斷裂。這主要是因為“Y”型焊縫在靜載荷的作用下，焊縫上部較寬造成該區硬度較小位置首先發生塑性變形，在變形過程中，應力得到釋放并產生一定的應變強化。由此導致焊縫中心部位產生一定的應力集中，從而帶動焊縫中下部分硬度較高區域也發生同樣的塑性變形。這種在焊縫內部發生的塑性變形，由于其微觀組織與顯微硬度的差異很小，整個塑性變形的過程是一個相對穩定的過程，因此不容易產生縮頸。但是在熔合區附近，焊縫組織變化很大，且其硬度下降顯著，該區塑性變形是不均勻的，在塑性變形不斷增大的過程中，該區容易產生縮頸。所以，斷裂往往在熔合區附近發生。

圖8為復合焊接頭斷口形貌，是以脆性斷裂為主的混合斷裂，在高倍電鏡下可以發現有少量韌窩。

圖8 復合焊接頭斷口掃描形貌 （a）低倍；（b）高倍Fig.8 SEM fractography of hybrid welding joint（a）low magnification；（b）high magnification

為了提高鋁鋰合金焊接接頭的力學性能，國內許多學者［11－13］利用熱處理或時效的方法，已實現1420鋁鋰合金焊接頭中更多強化相δ’或T穩定相的析出，從而獲得綜合力學性能良好的接頭。同時，本實驗采用鋁鎂系通用的ER5356焊絲，該焊絲雖然能夠顯著改善5A90鋁鋰合金復合焊焊縫成形，但由于不含Li元素，對于5A90鋁鋰合金并非完全匹配。因此，要想獲得綜合力學性能良好的5A90鋁鋰合金焊接接頭，不僅需要靠熱處理工藝或人工時效來促使更多強化相的析出，而且還需要開發出與5A90鋁鋰合金更加匹配的焊絲。

6 結論

（1）YAG－MIG復合焊可以顯著改善5A90鋁鋰合金焊縫成形，其最大間隙容許裕度可以高達1.0mm，是激光焊的3～5倍。

（2）5A90鋁鋰合金YAG－MIG復合焊接頭組織從熔合區至焊縫中心依次是細晶層、柱狀晶和等軸晶。與激光焊接頭相比，復合焊接接頭的顯微組織相對粗化和柱狀晶區范圍相對減小。

（3）5A90鋁鋰合金YAG－MIG復合焊焊縫區顯微硬度比激光焊焊縫區顯微硬度低，但比MIG焊焊縫區顯微硬度高。相比而言，復合焊焊縫區硬度比激光焊焊縫硬度分布更加均勻。

（4）復合焊接接頭的拉伸斷裂往往在熔合區附近發生，呈現以脆性斷裂為主的混合斷裂。

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Weld Appearance and Mechanical Properties of Aluminum－lithium Alloy by YAG－MIG Hybrid Welding

XU Fei，CHEN Li，GONG Shui－li，YANG Jing，ZHAO Xiao－ming，HE En－guang（Science and Technology on Power Beam Processes Laboratory，Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China）

The weld appearance and mechanical properties of 5A90Al－Li alloy sheet by YAG－MIG hybrid welding are studied.The results show that the weld appearance（collapse，undercut，and so on）of 5A90alloy by laser beam welding（LBW）is improved by YAG－MIG hybrid welding significantly.And the maximal tolerant gap of the hybrid welding could reach to about 1.0mm.The major microstructure characteristics of joint by hybrid welding are fine－grained layer and the equaixed grain in most of welded seam，which are similar to the joint by LBW.Compared with the latter，the microstructure of the former tends to coarse，and the range of the columnar crystals zone is prone to decrease.The microhardness of welded seam by hybrid welding （83.57HV0.2）is lower than that by LBW （95.65HV0.2），but the uniformity of the former is better than that of the latter.The ultimate strength and the elongations after fracture of the joint by hybrid welding are lower than that by LBW.The fracture of the tensile samples always occur near the fusion zone，and the tensile fracture presents mixed rupture of brittle and ductile，which is mainly composed of the former.Therefore，if the combined mechanical properties of joint by hybrid welding meet the operation requirements，it should be improved by heat treatment after welding，and it also should develop a better filler wire matched with the base metal.

Al－Li alloy；LBW；hybrid welding；microstructure；tensile property

TG456.7

A

1001－4381（2011）10－0028－05

2010－12－01；

2011－05－30

許飛（1982－），男，碩士，工程師，主要從事鋁合金激光焊接工藝方面研究工作，聯系地址：北京朝陽區八里橋北東軍莊1號北京航空制造工程研究所104室（100024），E－mail：xufei＿0623＠163.com