Nd：YAG激光焊接對鋁鋰合金組織和織構的影響

崔 麗，李曉延，賀定勇，陳 俐，鞏水利

（1北京工業大學 材料科學與工程學院，北京100124；2北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術研究室，北京100024）

Nd：YAG激光焊接對鋁鋰合金組織和織構的影響

崔 麗1，李曉延1，賀定勇1，陳 俐2，鞏水利2

（1北京工業大學 材料科學與工程學院，北京100124；2北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術研究室，北京100024）

一直以來，世界范圍內的能源消耗不斷增長，而且在可預見的未來還將持續增長。減重增效已被世界各國公認為提高能源利用效率的重要手段。而輕金屬結構材料的使用是減輕整體結構質量、提高能源利用效率的有效途徑之一［1］。在航空航天工業中，鋁鋰合金由于具有低密度，高比強度和比剛度，優良的低溫性能，良好的耐腐蝕性和卓越的超塑成形性能，用其取代常規鋁合金，可使構件質量減輕10%～15%，剛度提高15%～20%［2，3］，被認為是21世紀航空航天工業的最理想的輕質高強結構材料。在航空航天工業中，用焊接工藝代替傳統的鉚接等機械工藝可以減輕結構質量，提高運載能力，獲得顯著的經濟效益，焊接是鋁鋰合金結構制造的重要手段。至今，人們采用了多種工藝方法進行焊接，傳統的弧焊工藝熱輸入量大，變形嚴重，接頭強度較低，制約了這種材料尤其是薄板結構應用的進一步擴大。相比之下，激光焊接具有輸入線能量小，變形小，接頭性能優良等優點，有望解決現有工藝存在的問題。

5A90鋁鋰合金是Al－Li－Mg系的一種新型國產化合金材料，是前蘇聯1420鋁鋰合金的相近牌號，具有中等強度、良好的抗腐蝕性和出色的焊接性［3］。雖然國內外對于1420合金焊接的研究報道較多，但關于5A90鋁鋰合金激光焊接的問題目前研究報道很少，特別是激光焊接方面，主要涉及金屬蒸氣/等離子體特征［4，5］，焊接工藝及焊接缺陷分析［6，7］，焊接接頭的組織及力學性能方面［3，8，9］。由上述文獻可以看出，目前對于5A90鋁鋰合金焊接接頭組織精細結構的研究，國內外鮮有報道。

眾所周知，焊接接頭的力學性能取決于其微觀組織和結構。當5A90鋁鋰合金經過激光焊接后，其接頭焊縫中凝固組織、合金元素的分布及晶粒取向等發生改變，而組織差別必然引起力學性能的不同。為了揭示這一改變，利用光學顯微鏡、掃描電鏡觀察了焊縫、熱影響區（Heat Affected Zone，HAZ）及母材的顯微組織，采用SEM/EDS能譜分析了焊縫中的合金元素分布，采用EBSD技術測試了焊縫中的晶粒取向，目的是探討激光焊對鋁鋰合金微觀組織結構的影響，為合理制定5A90鋁鋰合金激光焊工藝提供依據，也將為鋁鋰合金激光焊接結構在航空器結構中的應用奠定基礎。

1 實驗材料與方法

實驗材料為國產5A90鋁鋰合金，厚度為3mm，其化學成分如表1所示。激光焊接系統采用AM356型Nd：YAG激光器，最大輸出功率4.5kW，激光連續輸出，光束質量參數為25mm·mrad，傳輸激光的光纖直徑為0.6mm，聚焦透鏡焦距為200mm。焊前用化學方法去除試件表面的油脂和氧化膜。焊接實驗采用平板對接方式，焊接速率2.7m/min，激光功率1.8kW，激光離焦量為0mm。焊接過程中采用高純度氬氣對焊接區進行背保護和側吹保護。

表1 5A90鋁鋰合金化學成分（質量分數/%）Table 1 Chemical composition of 5A90Al－Li alloys（mass fraction/%）

焊后線切割試板，經過鑲樣、研磨、拋光和腐蝕，制成金相試樣，分別采用光學顯微鏡、掃描電鏡HitachiS－3400NSEM進行母材、HAZ及焊縫凝固組織的觀察，并利用SEM/EDS能譜分析了焊縫中合金元素的分布。采用EBSD技術進行焊縫及母材晶粒取向的分析，掃描電鏡為JEOL－JSM－6500FSEM，工作電壓為15kV，試樣使用1∶3的硝酸甲醇溶液雙噴穿孔制備EBSD樣品薄膜。

2 結果與討論

2.1 焊縫凝固組織形態

從5A90鋁鋰合金激光焊接頭橫截面形貌（見圖1）可知，接頭包括母材、熱影響區和焊縫金屬三部分，熱影響區的寬度很窄，這是由激光焊接熱輸入小的特點決定的。圖2為圖1中各標記部分對應的高倍SEM圖片。由圖2（a）可知，母材具有明顯軋制特征的拉長的扁平組織，晶粒平均尺寸在10～30μm之間。圖2（b）中的HAZ拉長的扁平狀晶粒組織明顯粗化，尺寸在30～100μm之間，但晶粒的形態沒有改變。焊縫金屬組織呈現獨特的等軸樹枝晶形態，如圖2（c）所示。

圖1 5A90鋁鋰合金激光焊接頭橫截面形貌Fig.1 Cross－section of laser welded joints in 5A90Al－Li alloys

圖2 5A90鋁鋰合金（a）、HAZ（b）和焊縫（c）顯微組織Fig.2 Microstructure of 5A90Al－Li alloys（a），HAZ（b）and weld（c）

在熔合線附近焊縫邊緣形成了一個等軸細晶區（non－dendritic equiaxed grain zone，EQZ），晶粒尺寸3～10μm之間，呈球形，無分枝，但EQZ的寬度很小，僅為100～200μm，如圖3所示。由圖3可知，5A90鋁鋰合金激光焊焊縫中只有兩種晶粒組織：焊縫邊緣是等軸細晶區EQZ，其余區域為等軸枝晶。等軸枝晶不僅在焊縫中心形成，在焊縫寬度的90%左右的區域都形成了等軸樹枝晶。焊縫中形成的大量等軸枝晶可以用金屬組分過冷和異質形核理論來解釋。

圖3 焊縫熔合線附近的等軸細晶區Fig.3 EQZ along the fusion line of the weld

根據合金凝固理論，凝固組織形態與合金凝固過程中由于溶質分布而形成的“組分過冷”有關。是否產生組分過冷，決定于溫度梯度G和液相線溫度TL的對比關系。產生組分過冷的臨界條件是液相的實際溫度T≤TL，可用式（1）近似表達該條件：

式中：G為液相中溫度梯度；R為結晶速率；C0為合金中溶質濃度；k0為分配系數；D為溶質在液相中的擴散系數；m為液相線斜率。

在溶質濃度C0一定時，G/R是影響組分過冷度的重要參數。G/R越小，即降低溫度梯度G或提高界面成長速率R，組分過冷度越大，且隨G/R減小，焊縫凝固組織將按照胞狀晶→胞狀枝晶→柱狀枝晶→等軸枝晶的順序變化［10］。通常焊接冷卻情況下，熔池結晶從熔合線開始，由于熔合線附近G最大，而R最小，不易滿足組分過冷條件，一般新相是以半熔合區（Partially Melted Zone，PMZ）中未熔化的母材晶粒作為現成表面，以聯生結晶方式生長。而5A90鋁鋰合金在HAZ與焊縫之間存在EQZ，這與聯生結晶方式不同，因此焊縫中的新相形核不是來源于PMZ而是焊縫中未熔的異質顆粒。已有的研究結果證實，EQZ的形成與母材之間沒有明顯的聯生結晶特征，而是來源于亞穩態Al3Zr粒子的異質形核和EQZ顆粒的結晶前沿存在較小的成分過冷度［11，12］。

與EQZ的形成機制不同，焊縫中等軸枝晶的形成則需要母材中較多的異質形核點和結晶前沿較高的成分過冷度，這是由5A90鋁鋰合金的成分和激光焊接工藝特點決定的。5A90合金中含有2%Li（質量分數，下同）和5%Mg元素及微量的Zr元素，Mg元素含量較多時，固液界面張力進一步降低，臨界形核功也隨之減少；Zr元素可與Al形成高熔點的平衡態的四方相Al3Zr粒子，可作為焊縫金屬結晶的非均勻形核的核心。從組分過冷方面來看，Li是降低鋁液表面張力最為有效的元素，Li元素在Al中的分配系數小于1，且作為表面活性元素易富集在固液界面前沿的液相中，這將增大組分過冷度。此外，從Nd：YAG激光焊接工藝參數看，冷卻速率很快，這也進一步增大組分過冷度，有利于焊縫中大量等軸枝晶的形成，因此，5A90鋁鋰合金的成分特點和激光焊接工藝特點兩方面導致了焊縫中出現了大量的等軸枝晶。

2.2 焊縫中合金元素的分布

在焊縫橫截面上、中、下三個位置沿水平方向進行了SEM/EDS能譜線掃描，線掃描結果證實了焊縫中Al，Mg元素分布的不均勻性，得到了相同的焊縫中溶質元素的分布趨勢，其中焊縫中部SEM/EDS線掃描結果如圖4所示。

圖4 沿橫截焊縫中部方向的元素分布Fig.4 Elements distribution along the transverse weld direction in the middle part

由圖4可知，焊縫中Al，Mg元素焊縫寬度方向的相對濃度發生變化，在焊縫熔合線附近含量較高，而在焊縫中心部位含量低。焊縫中合金元素的分布情況是焊接過程熔池中金屬液體的運動和元素擴散共同作用的結果，因此，焊縫元素分布特征可以從Nd：YAG激光焊接熔池的形成運動特點和擴散機理進行解釋。但在激光焊接時，冷卻速率很快，熔池中強烈的對流對元素分布的影響明顯大于擴散作用。激光焊接時，由于激光束的功率密度很高，在金屬蒸發反作用力等力的共同作用下，液態金屬從小孔中噴射出，形成了表面液態金屬由激光小孔向熔池邊緣的流動［13］，此時會把溶質“趕”向熔池的邊緣（即熔合線），形成溶質高濃度區。

2.3 焊縫中的晶粒取向

圖5是5A90鋁鋰合金組織（圖2（a））及其焊縫組織（圖2（c））EBSD選區上測得的｛001｝，｛111｝散點極圖。由圖5（a）可以看出，該合金具有很強的典型冷軋銅型織構，并以S型織構｛123｝〈634〉取向為主，這與研究報道的面心立方金屬的冷軋織構完全一致。而圖5（b）焊縫的｛001｝及｛111｝極圖顯示了焊縫晶粒取向的隨機分布，表明Nd：YAG激光焊接使5A90鋁鋰合金的晶粒取向發生了很大變化。這是因為焊縫是在加熱熔化后經過結晶及連續冷卻形成的，是一種快速冷卻的鑄態組織。在凝固過程中，焊縫液態金屬以Al3Zr和Al3（Li，Zr）粒子為晶核隨機均勻地生成并長大，因此結晶后的焊縫組織晶粒沒有擇優取向，即織構呈隨機分布的狀態。這個結果與HECTOR L G等［14］的研究結果一致，焊縫中等軸枝晶的織構分布為任意取向的隨機分布。這進一步證實了焊縫金屬的異質形核機理。

圖5 5A90鋁鋰合金（a）及焊縫（b）的｛001｝，｛111｝散點極圖Fig.5 ｛001｝，｛111｝pole figure for 5A90Al－Li alloys（a）and weld（b）

3 結論

（1）5A90鋁鋰合金激光焊焊縫區形成了大量的等軸枝晶組織，這是由于焊縫中存在較多的異質形核點和較高的成分過冷度。

（2）SEM/EDS能譜線掃描結果表明，焊縫中Al，Mg元素焊縫寬度方向的相對濃度發生變化，在焊縫熔合線附近含量較高，而在焊縫中心部位含量低。

（3）5A90鋁鋰合金及焊縫｛001｝，｛111｝散點極圖表明，焊縫中沒有織構，晶粒取向呈隨機分布的狀態，激光焊接完全改變了母材典型的冷軋織構。

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Effects of Nd：YAG Laser Welding on Microstructure and Texture of Aluminum－lithium Alloys

CUI Li1，LI Xiao－yan1，HE Ding－yong1，CHEN Li2，GONG Shui－li2
（1College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2Science and Technology on Power Beam Processes Laboratory，Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China）

采用Nd：YAG激光進行了5A90鋁鋰合金薄板的對焊實驗，借助光學顯微鏡、掃描電鏡及EDS能譜、背散射衍射技術測試了焊縫的顯微組織、合金元素分布及焊縫中的微觀織構，并與母材進行了比較。結果表明：Nd：YAG激光焊接使5A90鋁鋰合金的微觀組織和微觀織構發生了很大的變化。焊縫區呈現出大量的等軸枝晶組織，這是由于焊縫中存在較多的異質形核點和較高的成分過冷度。焊縫中織構呈隨機分布的狀態，激光焊接完全改變了母材面心立方金屬的冷軋織構組織。

鋁鋰合金；激光焊；焊縫；組織；織構

5A90aluminum－lithium （Al－Li）alloy thin sheets，machined with a square butt weld preparation，were welded by Nd：YAG laser.Microstructure and texture characterization in the laser welds were studied by means of optical microscope（OM），scanning electron microscope（SEM）coupled with energy dispersive X－ray spectroscopy（EDS），electron back scattered diffraction（EBSD），and compared with the unaffected base metal.The results show that the weld metal（WM）microstructure is displayed significant changes in solidification structure，and microtexture.The predominantly fine equiaxed dendritic microstructure in the WM zone is observed and rationalized on the basis of solidification mechanism and heterogeneous nucleation mechanism.The pole figures of 5A90Al－Li sample exhibit a typical cold rolling textures structure of FCC metals，while the laser welds in 5A90Al－Li alloys are shown to exhibit a randomly textured microstructure.

Al－Li alloy；laser welding；weld；microstructure；texture

TG456.7

A

1001－4381（2012）05－0006－04

航空科學基金項目（20085475003）；北京市教育委員會科技計劃資助項目（00900054R5004）

2010－12－27；

2011－11－04

崔麗（1972—），女，博士，副研究員，主要從事輕合金焊接方面研究工作，聯系地址：北京市朝陽區平樂園100號北京工業大學材料學院（100124），E－mail：cuili@bjut.edu.cn