光束掃描對(duì)5A06鋁合金激光焊縫組織的影響

單 瑩，杜俊杰，蔣海濤，步賢政，曲宏韜，韓維群

(1.海軍駐北京二三九廠軍事代表室，北京 100010；2.北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100010)

鋁合金具有密度小、無磁性、強(qiáng)度高、低溫性能好和耐腐蝕性能高的特點(diǎn)，擁有其他金屬無法相比的物理化學(xué)特性和力學(xué)性能。鋁及鋁合金結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為軍用和民用產(chǎn)品的重要組成部分[1-3]。

5A06鋁合金是一種Al-Mg系鋁合金，屬于變形強(qiáng)化鋁合金，其具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造和武器裝備等領(lǐng)域。然而，5A06鋁合金在焊接過程中存在諸多問題，如傳統(tǒng)的鋁合金TIG電弧焊和MIG電弧焊存在熱輸入高、焊接變形大和焊接接頭性能損失大的問題；電子束焊接存在設(shè)備成本和工藝成本高，且難以實(shí)現(xiàn)柔性化的問題；攪拌摩擦焊接對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求較為嚴(yán)格，對(duì)于部分空間狹小，難以設(shè)置支承的結(jié)構(gòu)，焊接起來較為困難。

激光焊接具有熱輸入小、焊接變形小、焊后接頭性能損傷較輕、設(shè)備成本相對(duì)較低以及易于實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的特點(diǎn)，受到越來越多的關(guān)注[4-6]。光束掃描焊接是一種新型的激光焊接工藝方法，其采用光學(xué)振鏡或機(jī)械振鏡，使光束在二維方向上以某種特定的形式在焊接過程中進(jìn)行擺動(dòng)，起到攪拌熔池、細(xì)化焊縫組織和提高焊縫力學(xué)性能的作用。采用該方法可以有效地提高激光焊縫的搭橋能力，降低焊前裝配精度要求，提高焊縫成型質(zhì)量。本文主要分析研究光束掃描方式對(duì)5A06鋁合金鎖底對(duì)接焊縫微觀組織及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為5A06鋁合金板材，材料熱處理狀態(tài)為H112，其化學(xué)成分見表1。焊接設(shè)備采用IPG-6000光纖激光器。

表1 5A06合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

5A06鋁合金試板焊前經(jīng)過酸洗并烘干，機(jī)械打磨后用丙酮擦拭干凈，垂直于軋制方向進(jìn)行焊接。激光焊接頭采用IPG D50 wobble，通過安裝在準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡之間的掃描模塊實(shí)現(xiàn)激光光斑的二維運(yùn)動(dòng)。光束掃描模式包括“︱”“○”“8”和“∞”等4種。

在光束掃描焊接中，激光功率、焊接速度和氣體保護(hù)等工藝參數(shù)與常規(guī)激光焊接過程一致，新增了光束掃描模式、光束振幅和光束振動(dòng)頻率等3個(gè)工藝參數(shù)。

本文討論在“︱”“○”“8”和“∞”等4種不同的光束掃描模式下，5A06鋁合金激光焊接過程，分析光束掃描模式對(duì)焊縫成形、內(nèi)部組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 光束掃描對(duì)5A06鋁合金激光焊縫成形的影響

試驗(yàn)采用在7 mm厚度的5A06鋁合金試板上進(jìn)行激光自熔焊接。基本焊接工藝參數(shù)如下：激光焊接功率為4 000 W，激光焊接速度為1 800 mm/min，光斑直徑為0.4 mm，焊接離焦量為0，掃描幅值為2 mm，掃描頻率為200 Hz。焊接過程中采用99.99%的高純氬氣進(jìn)行側(cè)吹保護(hù)，氣體流量為15～18 L/min。在無光束掃描模式和“︱”“○”“8”“∞”等4種不同的光束掃描下，5A06鋁合金激光焊縫的成形情況分別如圖1～圖5所示。

圖1 無光束掃描模式激光焊縫

圖2 “︱”光束掃描模式激光焊縫

圖3 “○”光束掃描模式激光焊縫

圖4 “∞”光束掃描模式激光焊縫

圖5 “8”光束掃描模式激光焊縫

由圖1～圖5可以看出，在無光束掃描模式下，焊縫表面成形較差，存在一定的凹陷，這是由于鋁合金常規(guī)激光焊接過程中存在大量飛濺，部分液態(tài)金屬以飛濺的形式損失所造成的，且焊縫橫截面呈現(xiàn)出“釘頭形”，為典型的高能束焊縫截面形狀，同時(shí)可以看到明顯的激光焊工藝氣孔；在“︱”光束掃描模式下，焊縫寬度略有增加，焊縫成形略有改善，但仍存在局部凹陷的情況，而焊縫橫截面與常規(guī)激光焊接類似，但焊縫熔深明顯降低；在“○”光束掃描模式下，焊縫魚鱗紋較為細(xì)膩，焊縫寬度與“︱”光束掃描模式相比變化不大，但焊縫橫截面形狀由原有的“釘頭形”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬票巍保缚p熔深也有所減小；在“∞”光束掃描模式下，焊縫成形最好，表面呈現(xiàn)出均勻的魚鱗紋，焊縫表面不存在咬邊、飛濺等缺陷，焊縫橫截面呈現(xiàn)出“倒梯形”，這是由于光束在垂直于焊縫的振幅方向上停留時(shí)間加長(zhǎng)所導(dǎo)致的；“8”光束掃描模式與“∞”光束掃描模式類似，但“8”光束掃描模式所得到的焊縫熔深最小，這是由于該模式下激光更多的作用在垂直于焊縫兩側(cè)，對(duì)焊接熔池的重熔效果變差所導(dǎo)致的。

2.2 光束掃描對(duì)5A06鋁合金激光焊縫微觀組織的影響

在5A06鋁合金激光焊接過程中，焊接熔池中的液態(tài)金屬過冷度較大，形核率較高，同時(shí)焊縫中心部位散熱較為均勻；因此，5A06鋁合金激光焊縫中心組織多表現(xiàn)為等軸樹枝晶。

無光束掃描模式下5A06常規(guī)激光焊縫內(nèi)部組織如圖6所示。由圖6可以看出，焊縫內(nèi)部樹枝晶較為粗大，骨骼狀的β相分布在α相基體上。

圖6 無光束掃描模式下鋁合金激光焊縫內(nèi)部組織

在光束掃描焊接模式下，激光熱源按照不同的掃描模式在焊接熔池內(nèi)周期性的擺動(dòng)，由此產(chǎn)生熔池內(nèi)較大溫度梯度的變化，從而影響熔池的表面張力，起到攪拌熔池、細(xì)化晶粒的作用[7]；同時(shí)，光束周期性掃描過程中會(huì)對(duì)已經(jīng)凝固的焊縫起到重熔作用，從而達(dá)到晶粒細(xì)化的作用。不同光束掃描模式下5A06鋁合金激光焊縫內(nèi)部組織形貌如圖7所示。由圖7可以看出，隨著光束掃描的加入，焊縫內(nèi)部晶粒均不同程度的細(xì)化，粗大的骨胳狀β相變得更加細(xì)小均勻，但“丨”光束掃描模式焊接情況下，焊縫內(nèi)部組織細(xì)化效果較差，焊縫內(nèi)部β相組織不均勻；“○”光束掃描模式比“丨”光束掃描模式晶粒細(xì)化效果好，但仍存在部分二次枝晶；“8”光束掃描模式和“∞”光束掃描模式條件下焊縫組織細(xì)化效果最好，焊縫內(nèi)部組織為均勻的一次等軸枝晶[8-10]。

圖7 不同光束掃描模式下鋁合金激光焊縫內(nèi)部組織

從上述分析可以看出，采用光束掃描激光焊接工藝可以有效改善鋁合金激光焊縫外觀，細(xì)化焊縫組織，其中，“∞”光束掃描模式改善效果最優(yōu)，可以得到外觀成形均勻，焊縫組織細(xì)小的焊接接頭。

2.3 光束掃描對(duì)5A06鋁合金激光焊縫力學(xué)性能的影響

本論文采用“∞”光束掃描模式進(jìn)行4 mm鎖底對(duì)接焊縫焊接，焊接工藝參數(shù)如下：焊接功率為4 800 W，焊接速度為1 500 mm/min，掃描幅度為2 mm，頻率為200 Hz，焊接離焦量為0。焊接過程中采用99.99%的高純氬氣進(jìn)行側(cè)吹保護(hù)，氣體流量為15～18 L/min，所得到的焊縫成形如圖8所示。由圖8可以看出，在該焊接模式下，焊縫成形良好，魚鱗紋細(xì)膩，無焊接咬邊、飛濺等缺陷，焊縫橫截面上未發(fā)現(xiàn)未焊透缺陷。

圖8 5A06鋁合金鎖底對(duì)接接頭掃描焊接成形

“∞”光束掃描模式下所得到的5A06鋁合金激光焊接接頭力學(xué)性能見表2。由表2可以看出，該焊接模式下所得到的激光焊接接頭力學(xué)性能較穩(wěn)定，焊縫抗拉強(qiáng)度平均可達(dá)326 MPa，平均斷后延伸率可達(dá)11.8%，分別為母材的95.4%和54%。

表2 5A06鋁合金掃描激光焊縫力學(xué)性能

“∞”光束掃描模式下鋁合金激光焊接接頭端口形貌如圖9所示。由圖9可以看出，在焊接接頭拉伸端口上分布著大小均勻且深度較大的韌窩，在韌窩之間分布著大量的強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)，說明斷裂形式為韌性斷裂。

圖9 激光掃描焊接接頭斷口形貌

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了光束掃描對(duì)5A06鋁合金激光焊接接頭焊縫成形和微觀組織的影響，以及“∞”光束掃描模式下激光焊接接頭的力學(xué)性能，得到如下結(jié)論。

1)光束掃描焊接可以有效地改善5A06鋁合金激光焊縫成形，隨著光束掃描的加入，激光焊縫的熔深略有下降，其中，“8”光束掃描模式熔深最小，“∞”光束掃描模式下可以得到焊縫成形美觀、熔深適當(dāng)?shù)暮缚p。

2)光束掃描的加入可以攪拌焊接熔池，并不斷重熔已凝固的焊縫，可以有效地細(xì)化焊縫組織，其中，“8” 和“∞”光束掃描模式下晶粒細(xì)化效果最好，“丨”光束掃描模式細(xì)化效果最差。

3)采用“∞”光束掃描激光焊接所得到的焊接接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材的95.4%，接頭斷后延伸率可達(dá)11.8%，焊縫斷口為韌性斷裂。

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