振鏡螺旋掃描焊接對(duì)3003鋁合金焊縫微觀組織的影響

譚小軍

(深圳技師學(xué)院 廣東 深圳 518116)

一、引言

全球大力倡導(dǎo)電動(dòng)汽車推廣和使用[1]，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池鋁盒一般采用3003鋁合金，3003鋁合金焊接存在著多種問題[2][3]。本實(shí)驗(yàn)以3003鋁合金進(jìn)行激光螺旋掃描焊接實(shí)驗(yàn)，研究了螺旋掃描激光焊接中螺旋軌跡參數(shù)對(duì)焊縫微觀組織的影響。

二、實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和方法

本實(shí)驗(yàn)所開發(fā)出來(lái)的螺旋軌跡如圖1(a)所示。

圖1 螺旋軌跡

試驗(yàn)所使用的激光器是IPG公司生產(chǎn)的YLS-2000光纖激光器，振鏡為SCANLAB振鏡。

試驗(yàn)材料采用3003板材，加工成60mmx30x2mm，用于焊接實(shí)驗(yàn)。

對(duì)制作的試樣在HITACHI-S4800型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察焊縫顯微組織,拍攝焊縫不同區(qū)域(焊縫中心區(qū)、熔合區(qū),母材)的組織。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

(一)螺旋掃描焊接對(duì)3003鋁合金焊縫顯微組織的影響

圖2為低倍顯微鏡下焊縫中心區(qū)的金相組織，圖2(a)(b)為直線掃描時(shí)(r=0)的焊縫中心區(qū)組織，圖2(c)(d)為螺旋半徑為0.5mm時(shí)的焊縫中心區(qū)組織。

(a)r=0

在圖2(a)、(c)中可以看到，焊縫中心晶粒粗大，呈塊狀。r=0時(shí)焊縫中心塊狀晶粒數(shù)目要比r=0.5mm時(shí)焊縫中心組織多，晶粒也更粗大(圖2 c d)。

對(duì)塊狀組織的高倍SEM掃描觀察可以看出，r=0所得塊狀晶粒內(nèi)部枝晶要比r=0.5mm時(shí)粗大。

(a)r=0 x1000

螺旋掃描焊接相比無(wú)螺旋掃描焊接，可以降低熔池的橫向溫度梯度，雖然r=0.5mm時(shí)，焊透功率相比r=0時(shí)提高了，但更多的熱量被分散到熔池四周。降低了焊縫中心的散熱難度，因此焊縫中心板塊狀的等軸晶數(shù)目減少，枝晶也變得更細(xì)小。

(a)r=0

r=0.5mm時(shí)，熔合區(qū)要比r=0時(shí)窄。r=0時(shí)，焊縫幾乎無(wú)熱影響區(qū)，焊縫直接由柱狀枝晶過渡到母材組織，母材一側(cè)組織未發(fā)生明顯變化。R=0.5mm時(shí)存在一定的熱影響區(qū)，母材一側(cè)組織也出現(xiàn)了柱狀晶。

r=0.5mm時(shí)，焊透所需的功率加大，并且螺旋降低了熔池溫度梯度，更多的熱量分散到熔池四周，熔池四周接受的激光熱量增加，導(dǎo)致熱影響區(qū)的產(chǎn)生。

對(duì)焊縫中心區(qū)的強(qiáng)化相進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果如表1。

表1 強(qiáng)化相分析

發(fā)現(xiàn)焊縫中心區(qū)中強(qiáng)化相相比母材中的強(qiáng)化相，Mn、Fe含量嚴(yán)重降低。說明激光焊接引起了強(qiáng)化相燒損。

(二)螺旋掃描頻率對(duì)3003鋁合金焊縫顯微組織的影響

圖5為焊縫中心等軸晶區(qū)的金相組織，圖5(a)為f=500Hz時(shí)的焊縫中心區(qū)組織，圖5(b)為f=62.5Hz時(shí)的焊縫中心區(qū)組織。

(a)f=500Hz

f=62.5Hz時(shí)，焊縫中心塊狀晶粒要比f(wàn)=500Hz時(shí)粗大，枝晶也更粗大。

圖6為融合線位置處的組織照片。

(a)f=500Hz

f=500Hz時(shí)，焊縫熱影響區(qū)明顯，靠近焊縫的母材為柱狀晶，生長(zhǎng)方向與母材側(cè)的一致。焊縫側(cè)存在垂直于熔合線和焊接方向的塊狀晶粒。

f=62.5Hz時(shí)，焊縫幾乎無(wú)熱影響區(qū)，焊縫直接由柱狀晶到母材，過渡區(qū)很小。

f=500Hz時(shí)焊透所需功率高，螺旋又降低了熔池的橫向的溫度梯度，焊縫邊緣受熱很高，導(dǎo)致熱影響區(qū)的出現(xiàn)。f=62.5Hz時(shí)，焊透功率較低，熱影響區(qū)不明顯。

結(jié)論

1.在同時(shí)焊透及其它參數(shù)一樣情況下，對(duì)r=0及r=0.5mm的焊縫組織進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，螺旋掃描焊接焊縫中心區(qū)板塊狀晶粒數(shù)目減少了，枝晶也更細(xì)小，熔合區(qū)組織觀察發(fā)現(xiàn)存在明顯的熱影響區(qū)。

2.在同時(shí)焊透及其它參數(shù)一樣的條件下，低頻率螺旋掃描焊接焊縫中心板塊狀晶粒更加粗大，焊縫基本無(wú)熱影響區(qū)，熔合線處由柱狀晶過渡到母材組織。高頻率焊接時(shí)焊縫熱影響區(qū)明顯，由板塊狀晶粒過渡到熱影響區(qū)的柱狀晶。