振鏡螺旋掃描焊接對3003鋁合金焊縫微觀組織的影響

譚小軍

(深圳技師學院 廣東 深圳 518116)

一、引言

全球大力倡導電動汽車推廣和使用[1]，電動汽車動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]。本實驗以3003鋁合金進行激光螺旋掃描焊接實驗，研究了螺旋掃描激光焊接中螺旋軌跡參數對焊縫微觀組織的影響。

二、實驗材料、設備和方法

本實驗所開發出來的螺旋軌跡如圖1(a)所示。

圖1 螺旋軌跡

試驗所使用的激光器是IPG公司生產的YLS-2000光纖激光器，振鏡為SCANLAB振鏡。

試驗材料采用3003板材，加工成60mmx30x2mm，用于焊接實驗。

對制作的試樣在HITACHI-S4800型冷場發射掃描電子顯微鏡觀察焊縫顯微組織,拍攝焊縫不同區域(焊縫中心區、熔合區,母材)的組織。

三、實驗結果及分析

(一)螺旋掃描焊接對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的金相組織，圖2(a)(b)為直線掃描時(r=0)的焊縫中心區組織，圖2(c)(d)為螺旋半徑為0.5mm時的焊縫中心區組織。

(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時焊縫中心塊狀晶粒數目要比r=0.5mm時焊縫中心組織多，晶粒也更粗大(圖2 c d)。

對塊狀組織的高倍SEM掃描觀察可以看出，r=0所得塊狀晶粒內部枝晶要比r=0.5mm時粗大。

(a)r=0 x1000

螺旋掃描焊接相比無螺旋掃描焊接，可以降低熔池的橫向溫度梯度，雖然r=0.5mm時，焊透功率相比r=0時提高了，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目減少，枝晶也變得更細小。

(a)r=0

r=0.5mm時，熔合區要比r=0時窄。r=0時，焊縫幾乎無熱影響區，焊縫直接由柱狀枝晶過渡到母材組織，母材一側組織未發生明顯變化。R=0.5mm時存在一定的熱影響區，母材一側組織也出現了柱狀晶。

r=0.5mm時，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，導致熱影響區的產生。

對焊縫中心區的強化相進行能譜分析，分析結果如表1。

表1 強化相分析

發現焊縫中心區中強化相相比母材中的強化相，Mn、Fe含量嚴重降低。說明激光焊接引起了強化相燒損。

(二)螺旋掃描頻率對3003鋁合金焊縫顯微組織的影響

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

(a)f=500Hz

f=62.5Hz時，焊縫中心塊狀晶粒要比f=500Hz時粗大，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，焊縫熱影響區明顯，靠近焊縫的母材為柱狀晶，生長方向與母材側的一致。焊縫側存在垂直于熔合線和焊接方向的塊狀晶粒。

f=62.5Hz時，焊縫幾乎無熱影響區，焊縫直接由柱狀晶到母材，過渡區很小。

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

結論

1.在同時焊透及其它參數一樣情況下，對r=0及r=0.5mm的焊縫組織進行對比。結果表明，螺旋掃描焊接焊縫中心區板塊狀晶粒數目減少了，枝晶也更細小，熔合區組織觀察發現存在明顯的熱影響區。

2.在同時焊透及其它參數一樣的條件下，低頻率螺旋掃描焊接焊縫中心板塊狀晶粒更加粗大，焊縫基本無熱影響區，熔合線處由柱狀晶過渡到母材組織。高頻率焊接時焊縫熱影響區明顯，由板塊狀晶粒過渡到熱影響區的柱狀晶。