2524與7150鋁合金激光焊T型接頭的組織與性能

郭輝華 李明仁 黃建科 徐 亮 肖榮詩

(1 上海飛機設計研究院，上海 201210)(2 北京工業大學，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 上海飛機設計研究院，上海 201210)(2 北京工業大學，北京 100124)

文 摘 介紹了2524與7150鋁合金激光焊T型接頭優化的工藝參數，并研究了T型接頭在優化工藝下的顯微組織與力學性能，進行金相分析、顯微硬度測試與接頭拉伸試驗。結果表明：優化工藝下焊縫沒有裂紋、氣孔，金相組織晶粒細小、致密，焊縫區域的硬度最低；T型接頭x方向的拉伸強度達到384 MPa，z方向的拉伸強度為236 MPa。

2524與7150鋁合金，激光焊接，T型接頭，拉伸強度

0 引言

激光焊接具有能量密度高、變形小、焊縫深寬比大等優點，特別是激光焊無需真空室，工藝可達性好，結合機器人和激光視覺傳感系統可實現三維空間焊接及柔性焊接[1]。激光焊在航空制造業的應用日益增多，已經成為航空結構材料的理想焊接技術。激光焊接技術在航空上的首次應用是在空客A318飛機機身下壁板上，用來代替鉚接結構[2]，近年來, 隨著機型種類的多樣化, 焊接機身壁板的數量也急劇上升,激光焊接技術在隨后的A340、A350、A380等型號上均得到了應用[3]，主要用于飛機蒙皮與桁條的連接。因此，T型連接是飛機制造中激光焊接應用的主要接頭形式。

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

1 實驗

1.1 材料

采用2524-T3板材與7150-T77511型材作為試驗材料，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，激光器采用的是一臺片狀固體激光器和一臺光纖固體激光器，運動執行機構是Kuka機器手。

試驗采用北京工業大學研發的鋁合金激光焊接送絲機(專利號：ZL200510132110.4)。

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

工藝參數優化的標準是: 表面成形良好，無裂紋、氣孔等缺陷，無明顯變形。

1.3 性能評價

采用Olympus PMG3型金相顯微鏡進行金相分析，配備有CCD圖像采集和分析軟件。對激光焊T型接頭進行顯微硬度測試，壓頭載荷N=100 g，測試點間距0.3 mm。

T型接頭拉伸試驗時分別沿試樣z軸和x軸方向進行加載。拉伸試驗采用MTS-810 Material Test System萬能液壓拉伸試驗機，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 結果及分析

2.1 工藝優化結果

工藝試驗結果表明，采用較高的焊接速度可以減少焊縫氣孔的出現，主要是由于高速下高溫激光熔池存在的時間較短，吸氫量較小。兩臺固體激光器采用拖絲焊，主要工藝參數相同，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焊絲進行焊接。使用5083-Zr焊絲的焊縫表面出現橫向裂紋，而使用AlSi12焊絲的焊縫沒有出現裂紋。采用AlSi12焊絲，對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匹配

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

(3)光纖激光與片狀激光兩側的配合

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

2.2 顯微組織

圖3是T型接頭橫截面形貌，可見焊縫區域沒有出現裂紋、氣孔等缺陷，T型接頭兩側的焊縫形貌較為勻稱，兩側焊縫區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，圖中焊縫區域的晶粒細小，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試路徑見圖5，結果見圖6。

圖5 顯微硬度測試路徑

圖6 焊縫區域的顯微硬度

可以看到，焊縫區域的硬度最低，7150材料側的硬度最高。這是由于高強鋁合金在經歷激光焊接后，原材料的強化效果都將減弱，在強化機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組織；另外，材料中的有益合金元素在激光焊接過程中會大量蒸發，焊縫必然會出現不同程度的軟化現象，會使其強度與硬度下降。

2.3 接頭靜力拉伸性能

母材2524鋁合金的抗拉強度為432 MPa。T型接頭x向拉伸強度是384 MPa,達到母材的89%；z向拉伸的強度是236 MPa，達到母材的55%，這一強度高于攪拌摩擦焊接的z向拉伸強度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展形成。這是由于水平拉伸時，應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律在母材中沿板厚方向擴展。

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，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向拉伸承載的應力集中區，開裂從此處開始，并向低硬度的焊縫擴展。此外，與長桁焊接處的底板在z向拉伸力的作用下已發生明顯的向上(受力方向)變形，這表明T型接頭在測試時已充分受力，焊縫的強度較高。

3 結論

(1) 獲得了2524-T3/7150-T77511 T型接頭雙光束激光焊接優化的工藝參數：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。焊接中的保護氣體采用Ar∶He=1∶1的混合氣體。另外，當光纖激光焦點位置Δf=+5 mm、片狀激光的焦點位置Δf=0時，可以確保兩側焊縫可以互相熔透。

(2)在上述優化的工藝參數下，焊縫區域沒有裂紋、氣孔，金相組織晶粒細小、致密，T型接頭兩側熔合區對稱性較好。

(3)顯微硬度測試結果顯示，焊縫區域的硬度低于母材，在7150材料側的硬度最高，z向拉伸時，7150材料側熔合線附近是應力集中區。

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

[1 ]李亞江，吳娜.先進焊接技術在航空航天領域中的應用[J].航空制造技術，2010(9):43-47.

[2 ]鞏水利, 張燕, 柴國明. 高能束流焊接技術的發展及其在航空領域中的應用[J] . 國防制造技術, 2009(3):12-5.

[3] DITTRIEH D, STANDFUSS J, LIEBSEHER J, et al. Laser beam welding of hard to weld Al alloys for a regional aircraft fuselage design-first results [J]. Physics Procedia, 2011 ( 12 ):113-122.

[4 ]李劍，賀署俊，向延鴻. 7150 和2524 異種鋁合金的攪拌摩擦焊疊焊接頭組織與性能分析[J]. 熱加工工藝, 2015, 44(21): 219-221.

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，主要從事飛機制造工藝研究。E-mail：guohuihua@comac.cc

TG456

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.012