5052/6005A異種鋁合金激光填絲焊接頭組織與力學性能研究

周金旭 康銘 徐玉君 金鑫 黃晨

摘要：對鋁合金6005A與5052進行異種鋁合金激光填絲焊，研究了焊接接頭的微觀組織及力學性能，并對接頭斷口微觀特征進行了分析。結(jié)果表明，焊縫中心為等軸晶與樹枝晶，鋁合金6005A側(cè)熔合線附近存在清晰柱狀晶，鋁合金5052側(cè)熔合線較為模糊。拉伸時在鋁合金6005A側(cè)熱影響區(qū)斷裂。焊接件焊接接頭的平均抗拉強度為197.9 MPa，達到鋁合金6005A母材抗拉強度的83%。斷裂特征為韌性斷裂，接頭彎曲性能良好。

關鍵詞：激光填絲焊；異種鋁合金；顯微組織；力學性能

中圖分類號：TG 44 文獻標志碼：A

基金項目：遼寧省‘興遼英才計劃項目資助（XLYC1908014）

Study on Microstructure and Mechanical Properties of 5052/6005A Dissimilar Aluminum Alloy Laser Wire Filler Welded Joint

ZHOU Jinxu， KANG Ming， XU Yujun， JIN Xin， HUANG Chen

（Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoyang 111003， China）

Abstract： Dissimilar aluminum alloy laser wire filling welding was carried out on 6005A and 5052 aluminum alloys. The microstructure and mechanical properties of the welded joint were studied， and the micro characteristics of the joint fracture were analyzed. The results show that the weld center is equiaxed crystal and dendrite， there are clear columnar crystals near the fusion line of 6005A aluminum alloy side， and the fusion line of 5052 aluminum alloy side is fuzzy. The joint breaks in the heat affected zone of aluminum alloy 6005A side， and the average tensile strength of the welded joint is 197.9 MPa， which reaches 83% of the tensile strength of 6005A aluminum alloy base metal. The fracture feature is ductile fracture， and the joint shows good bending performance.

Keywords： laser welding with filler wire； dissimilar aluminum alloy； microstructure； mechanical properties

6005A鋁合金與5052鋁合金被廣泛的應用于軌道車輛及汽車制造等領域[1]，在生產(chǎn)過程中常會出現(xiàn)需要將6005A與5052異種鋁合金焊接的情況。目前鋁合金焊接大多以熔化極惰性氣體保護（metal-inert gas，MIG）焊、鎢極惰性氣體（tungsten inert gas，TIG）保護焊為主，但這兩種焊接方法在焊接過程中因其熱輸入高、焊接變形大、熔深淺等對其應用產(chǎn)生了一定制約[2]。激光焊接是高能束焊接方法之一，與常規(guī)的熔化焊相比，能量更為集中，具有更低的熱輸入及變形，并具有更大的熔深，焊縫成型更為美觀，可以提高焊接接頭的質(zhì)量，焊接鋁合金具有一定優(yōu)勢[3-5]，激光填絲焊接是通過預置焊絲或同步送絲的方法對試板進行焊接，可以明顯地降低激光焊接對裝配精度的要求，同時能改善焊縫的合金成分，并能防止焊縫裂紋的產(chǎn)生，提高激光焊接的應用范圍[6]。采用以碟片式激光器為主的激光焊接試驗平臺對板厚3 mm的6005A鋁合金與5052鋁合金進行異種鋁合金激光填絲焊接，研究了5052與6005A異種鋁合金激光填絲焊接頭的力學性能、顯微組織、斷口形貌等。

1 試驗材料與方法

試驗母材為6005A-T4及5052-H32鋁合金，試板規(guī)格為300 mm×150 mm×3 mm。填充材料為ER5087，焊絲直徑為1.2 mm。保護氣體為Ar，質(zhì)量分數(shù)大于99.99%，母材和焊絲化學成分如表1所示。對母材進行力學性能試驗得出，6005A-T4鋁合金的平均抗拉強度為238.35 MPa，斷后伸長率為14.06%。5052-H32鋁合金的平均抗拉強度為224.14 MPa，斷后伸長率為14.96%。

焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動鋼絲刷打磨焊縫及其兩側(cè)25 mm區(qū)域內(nèi)氧化膜至露出金屬光澤，并用酒精對待焊部位進行清理。接頭為I型坡口，焊接采用了以TRUDISK8002激光器為主的激光焊接試驗平臺，焊接過程中激光通過直徑200 μm的光纖進行傳輸。焊接過程示意圖如圖1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭力學性能分析

焊后使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗機對焊接接頭進行橫向拉伸破壞性試驗，試驗結(jié)果見表3。斷裂均發(fā)生在鋁合金6005A側(cè)的熱影響區(qū)，說明鋁合金6005A側(cè)熱影響區(qū)存在軟化現(xiàn)象，為接頭薄弱處[7]，斷裂位置距離焊縫中心約為8 mm，接頭的平均抗拉強度為197.9 MPa，達到6005A鋁合金母材抗拉強度的83%。鋁合金弧焊一般要求接頭抗拉強度為母材的70%，激光填絲焊接頭抗拉強度有所提高。圖2為接頭拉伸斷裂試樣。圖3為拉伸試樣斷口微觀形貌，分析發(fā)現(xiàn)接頭的斷口較為平緩，存在大量的等軸韌窩，韌窩尺寸較大、較深，斷口表面存在滑移分離，呈現(xiàn)出蛇形滑動特征，撕裂楞上分布著細小的韌窩，為韌性斷裂[8-9]。

使用AG-X 250KN電子萬能試驗機對焊接接頭進行彎曲試驗，彎曲角180°，壓頭直徑38 mm，試驗結(jié)果見表4，接頭彎曲形貌見圖4。從表4和圖4的結(jié)果可知，試樣在焊縫中心達到最大圓弧過渡，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[10]，符合GB/T29710—2013《電子束及激光焊接工藝評定試驗方法》，所有彎曲試樣彎曲結(jié)果合格，焊接接頭抗彎能力良好。

2.2 焊接接頭金相組織

使用蔡司M2m光學顯微鏡對焊接接頭不同位置進行金相觀察。圖5為焊縫的截面宏觀形貌。圖6為焊接接頭顯微組織。圖6（a）和圖6（b）分別為鋁合金6005A和5052側(cè)熔合線及熱影響區(qū)附近組織，可以看出鋁合金6005A側(cè)熔合線更為明顯，靠近熱影響區(qū)側(cè)存在細小的等軸晶，靠近焊縫一側(cè)存在方向性明顯的粗大柱狀晶，且向焊縫內(nèi)部延伸，晶粒之間排列規(guī)則，熱影響區(qū)晶粒并未發(fā)生明顯的長大[11]。鋁合金5052側(cè)熔合線附近存在向焊縫內(nèi)部延伸的較為雜亂晶界不明顯的柱狀晶，熱影響區(qū)晶粒發(fā)生一定程度的長大。圖6（c）為焊縫組織，組織為細小的樹枝晶與等軸晶[12-13]，晶粒之間存在明顯的各向異性，原因是焊縫內(nèi)溫度梯度相對較小并存在一定的偏析，成分過冷，并且焊縫冷卻速度與形核速度較快，晶粒來不及長大。

為進一步明確兩側(cè)熔合線附近金相組織情況，對試驗母材進行了MIG焊，MIG焊焊縫的截面形貌如圖7所示。圖8（a）和圖8（b）分別為MIG焊后鋁合金6005A側(cè)熔合線與鋁合金5052側(cè)熔合線附近組織，圖8（c）為焊縫組織。從圖8可以看出，鋁合金6005A側(cè)熔合線更為清晰，鋁合金5052側(cè)則更為模糊，鋁合金6005A側(cè)柱狀晶較為粗大清晰方向性明顯，鋁合金5052側(cè)柱狀晶則相對無規(guī)則，與激光填絲焊接頭金相組織情況一致，MIG焊兩側(cè)熱影響區(qū)晶粒均存在明顯的長大現(xiàn)象，因為MIG焊熱輸入相對激光填絲焊更大，焊縫則為典型的鑄造組織[14-15]。對比激光填絲焊與MIG焊金相組織可以清晰的看出激光填絲焊的焊縫、熱影響區(qū)組織更為細小，熱影響區(qū)更窄。

3 結(jié) 論

（1） 采用激光填絲焊接與MIG焊接對5052與6005A異種鋁合金進行焊接，焊接接頭熔合良好，鋁合金6005A側(cè)熔合線更清晰。

（2） 接頭的平均抗拉強度為197.9 MPa，斷裂位置出現(xiàn)在6005A側(cè)的熱影響區(qū)，斷口存在大量的韌窩，為韌性斷裂，焊接接頭抗彎能力良好，彎曲角180°時所有彎曲試樣未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

（3） 激光填絲焊接頭與MIG焊接頭，焊縫為明顯的鑄造組織，兩側(cè)熔合線靠近焊縫側(cè)存在粗大的柱狀晶，兩側(cè)熱影響區(qū)組織存在長大現(xiàn)象，激光填絲焊接接頭各區(qū)域組織更為細小。

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