不同激光焊接工藝對6005A-T6系鋁合金焊接接頭高應變速率性能的影響

李洪林，金鑫,李勤，霍英妲，李褔寶

(1.沈陽工業大學，遼寧 遼陽 111000；2.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000)

0 前言

汽車輕量化已成為當今研究的熱門話題，在保證人身安全的情況下，首先考慮減輕車身重量及改善車身結構。將輕質材料應用在車身結構上已成為汽車輕量化進程中的重中之重[1-2]。鋁合金具有低密度、高比模量、高比強度，擁有良好的加工性能及耐腐蝕性能，決定了其焊接時應采用能量集中的焊接方法[3-6]。激光焊接鋁合金，因為焊接效率高、焊縫深寬比大、晶粒細小及熱影響區窄等優點而備受關注[7-9]。

眾所周知，應變速率表示引伸計在標距測量時單位時間內的應變增加量。將拉伸應變速率作為指標，在0.01 s-1以下叫做靜態拉伸，0.01～1 000 s-1叫做動態拉伸測試。目前靜態測試從試驗設備到試驗規范都比較完善，試驗室間的比對試驗結果差異較小。研究鋁合金在該應變速率范圍內的動態力學性能對車身結構輕量化設計至關重要[10-11]。相關學者在大量研究后發現，鋁合金在動態沖擊載荷作用下會表現出與靜態及準靜態載荷作用下不同的力學性能[12-13]，這表明鋁合金在變形過程中具有應變速率效應敏感性。已有研究結果發現鋁合金屬于低應變速率敏感性材料[14]。

目前，對鋁合金母材大應變速率范圍內動態力學性能的研究較多[15-18]，而對焊接接頭進行高速拉伸卻鮮有研究，在鋁合金焊接結構中，斷裂失效及損壞往往出現在焊接接頭處，因此接頭處力學性能起到關鍵性作用，因此，文中主要針對6005A-T6鋁合金進行焊接接頭高應變速率動態力學性能研究，主要采用激光填絲焊、激光-MIG復合焊、激光-CMT復合焊3種焊接工藝對6005A-T6鋁合金進行焊接。根據相關文獻研究結果顯示，應變速率均采用從低到高進行拉伸試驗，覆蓋了從準靜態到動態應變速率范圍，文中主要研究不同焊接方法的高速拉伸性能，因此選取典型應變速率200 s-1進行拉伸試驗，得出真應力-真應變曲線[19]，分析拉伸斷裂機理及形貌特征，并擬合Johnson-Cook本構模型[20]，得出3種焊接工藝塑性變形本構方程，并對其進行擬合驗證。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為6005A-T6鋁合金，板厚為3 mm，填充材料為ER5087，直徑1.2 mm，保護氣體采用99.99%Ar。對母材進行力學性能檢測，母材的抗拉強度為298.5 MPa，屈服強度為230.8 MPa，斷后伸長率為10.9%，試驗材料的化學成分見表1。

表1 6005A-T6鋁合金化學成分(質量分數,%)

1.2 試驗設備及方法

焊接設備采用Trudisk 8002碟片式激光器，最大功率可達8 kW，HighYAG的BIMO雙焦點激光焊接頭進行激光填絲焊接試驗，采用前置送絲方式，焊絲在前、激光在后，激光同時對母材及焊絲產生作用，焊絲不停地向熔池中填充，最終液態熔池快速冷卻凝固后形成焊縫。

結合Fronius焊機，進行激光-MIG、激光-CMT復合焊接試驗，采用激光在前、電弧在后的焊接方式，激光起到引導作用，瞬間將熔池打開，光絲間距固定到3 mm，光絲間距過大，起不到復合焊接效果；間距過小，由于激光、電弧間的耦合作用，電弧等離子體阻礙激光傳輸，影響激光吸收率。

由于鋁合金表面具有高反射性，在激光焊接時為避免光反現象對激光頭鏡片產生損傷，試驗前需要將激光頭偏轉6°～10°，將激光反射至安全方向。

采用日本島津電子萬能試驗機進行試板準靜態拉伸試驗，得到準靜態下的應力-應變曲線圖，以便與高速率下的數據進行比對。

對3種不同焊接工藝的試樣件進行高速拉伸性能試驗，使用Instron VHS 160/100-20高應變速率試驗機進行單向拉伸試驗，應變速率采用200 s-1，在試樣夾持端兩側相同位置粘貼應力應變片，來提高試驗數據的準確性，并對3種焊接工藝試樣分別進行準靜態拉伸，將準靜態拉伸試驗結果與200 s-1高應變速率拉伸試驗結果進行對比分析。激光焊接設備及高應變速率試驗機如圖1所示，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖1 試驗設備

圖2 拉伸試樣尺寸

采用日本島津SSX-550分析掃描電子顯微鏡對3種焊接工藝試樣高速拉伸斷口形貌進行觀察，通過斷口形貌觀察結果，分析斷裂機理，并結合能譜對析出相成分進行分析。

前期通過大量工藝試驗驗證，對焊縫表面成形良好、無氣孔裂紋等表面缺陷、保證焊縫熔透的前提，挑選出3種焊接工藝下最優的焊接工藝參數，見表2。

表2 試驗參數

2 結果與分析

2.1 不同焊接工藝下的動態拉伸性能分析

圖3為3種焊接工藝下的準靜態及200 s-1高應變速率下的真應力-真應變曲線圖，表3為200 s-1高應變速率下抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率。從圖中可以看出，在準靜態及200 s-1應變速率下進行拉伸試驗，3種焊接工藝的應力-應變曲線變化規律一致，即隨著真應變的不斷增加，真應力也呈現出增大趨勢，當應變在0%～0.5%之間時，應力-應變表現為彈性階段，當準靜態應變超過0.5%之后，增長幅度開始逐漸減緩，并趨于平緩，這是由于當載荷增加到一定值時，拉伸曲線在屈服點開始出現變化，在過了屈服點之后，試樣開始發生明顯的塑性變形，當載荷達到最大值時，試樣的某一區域截面開始急劇縮小，出現了“頸縮”現象，接頭的變形與斷裂主要體現在HAZ處，因為在焊接過程中，HAZ處發生軟化，力學性能相對于母材有所降低，拉伸頸縮階段的變形主要集中在這個位置，直至試樣斷裂。

圖3 3種焊接工藝真應力-真應變曲線

表3為3種焊接工藝下拉伸實驗結果。由表3試驗結果可知，3種焊接方法下激光填絲焊焊接接頭高速拉伸性能最好，屈服強度達到220 MPa，屈服強度相比于準靜態提高了約29.5 MPa；激光-MIG復合焊高速拉伸性能次之，為206 MPa，抗拉強度相比于準靜態提高了約20.1 MPa；激光-CMT復合焊高速拉伸性能最低，為196 MPa，抗拉強度相比于準靜態提高了約16.8 MPa。由表3中數據可知，高速拉伸斷后伸長率相比于準靜態斷后伸長率有所降低。

表3 3種焊接工藝下拉伸試驗結果

激光填絲焊的抗拉強度在3種焊接工藝中最高，主要是由于激光填絲焊能量密度集中、熱輸入低，焊接時熔池吸收的熱量較低，熔池凝固速度快，有利于組織細化，焊縫晶粒組織細小，接頭抗拉強度較高。

2.2 不同焊接工藝下試樣的拉伸斷口分析

對3種焊接工藝的高速拉伸試樣拉伸斷裂后形貌如圖4所示。可以看出，3種焊接工藝的斷裂位置均在HAZ區，這與準靜態拉伸斷裂位置一致，由于6005A鋁合金為可熱處理強化鋁合金，HAZ處晶粒組織粗大，硬度較低，該區域又被稱為軟化區，充分說明HAZ處為焊接接頭最為薄弱的地方。

圖4 高速拉伸試樣件

采用島津SSX-550分析掃描電子顯微鏡對焊接件拉伸斷口形貌進行2000X電鏡掃描，并結合EDS對斷口處析出相成分進行分析，圖5為激光填絲焊、激光-MIG復合焊、激光-CMT復合焊3種焊接工藝基于200 s-1高速拉伸下的掃描電鏡結果。位置1，2，3處EDS結果如圖5d～圖5f所示。從圖5a～圖5c中可以看出，3種焊接工藝斷口處存在大量韌窩，斷裂機理為韌性斷裂。激光焊接過程中，接頭在熔池將要開始凝固且處于高溫狀態下時，強化相溶解于焊縫基體中，在隨后的緩慢冷卻過程中以平衡狀態的β-Mg2Si相的形式析出。從圖中可以看出，激光填絲焊相比于其他2種焊接方法韌窩較深，所以韌性較好；激光-MIG復合焊、激光-CMT復合焊韌窩較淺，韌性較激光填絲焊略低。對圖中1，2，3處位置進行EDS分析，EDS能譜圖如圖5d～圖5f所示，由能譜圖及元素成分含量數據可以看出，除了Al基體外，位置1，2，3處均為平衡狀態的Mg2Si相，說明在6005A鋁合金激光焊接快冷快熱下，焊縫中的主要強化相β”相重新熔入Al基體并且大部分Mg，Si原子以平衡狀態的Mg2Si相形式析出。

圖5 SEM及EDS析出物成分分析

3 Johnson-Cook本構方程擬合

由于該試驗中不涉及到溫度變化，因此采用簡化的Johnson-Cook本構方程[21-22]：

(1)

式中：A為準靜態屈服強度；B，n為加工硬化參數；C為應變速率敏感系數。為形成有效、直觀的對比，分別以式(1)擬合3種焊接工藝的Johnson-Cook方程，從圖3b中截取塑性段曲線，如圖6所示。

利用準靜態曲線及數據獲取塑性變形段截距，即A值(MPa)，隨后以最小二乘法擬合曲線以求得B值和n值；利用真實應力-應變數據擬合圖6中曲線以求得C值[23]。計算結果詳見表4。

圖6 3種焊接工藝塑性段真應力-真應變曲線

將表4中的擬合結果代入本構方程模型，得到3種焊接工藝的本構方程，分別為式(2)～式(4):

表4 本構方程參量擬合計算結果

(2)

(3)

(4)

分別將3種焊接工藝擬得的本構方程曲線和塑性變形段試驗曲線繪制于圖7，不難看出，測試曲線與擬合曲線擬合良好，因此式(2)～式(4)可以對以該文的3種焊接工藝所得的焊接接頭進行高應變速率下的塑性變形進行準確地描述和預測[19]。

圖7 200 s-1應變速率下3種焊接工藝的真應力-真應變曲線及擬合曲線

4 結論

(1)3種焊接工藝下激光填絲焊焊接接頭高速拉伸性能最好，屈服強度達到220 MPa，激光-MIG復合焊和激光-CMT復合焊焊接接頭屈服強度分別為206 MPa和196 MPa，這主要是由于激光填絲焊接相比于其他2種焊接方法的熱輸入低，有利于組織細化，提高材料力學性能。

(2)斷口SEM掃描電鏡結果分析表明，斷口處存在大量韌窩，由此判定斷裂方式為韌性斷裂，結合EDS能譜，內部析出相主要為Mg2Si。

(3)Johnson-Cook本構方程曲線與原始曲線擬合較好，可以對不同焊接方法接頭在高應變速率下的塑性變形進行預測。