5A01鋁合金薄板激光擺動焊接接頭微觀組織與力學性能

范霽康 ，馬 立 ，倪 程 ，宋友民 ，王克鴻

1.南京理工大學 受控電弧智能增材技術工業和信息化部重點實驗室，江蘇 南京 210094

2.昆山華恒焊接股份有限公司，江蘇 昆山 215300

0 前言

5A01鋁合金是一種非熱處理強化合金，因具有良好的加工性能以及較高的疲勞強度、塑性、耐蝕性等機械性能，在航空航天、船舶、車輛、壓力容器等領域應用廣泛［1］。傳統弧焊方法焊接效率低、熱輸入大，焊接鋁合金時易造成焊縫區晶粒粗大，產生氣孔、裂紋等缺陷，而高能量密度的激光焊憑借焊接熱影響區小、焊接質量好等優點成為鋁合金主流焊接工藝之一，但其熱影響區是薄壁構件整體承載的薄弱環節，且焊接變形問題嚴重。

林相遠等［2］采用弧焊和激光焊焊接3 mm厚6系鋁合金，對比分析了使用激光焊接鋁合金的優勢，結果表明采用高功率激光填絲焊能夠獲得組織性能優異的焊接接頭。Abioye T E等［3］對0.6 mm厚AA5052-H32鋁合金進行了脈沖激光焊接，結果表明在高脈沖能量（25 J）、高平均峰值功率（4.2 kW）或者低脈沖能量（17.6 J）、低平均峰值功率（2.8 kW）下，均能獲得符合要求的高質量焊縫。陳根余［4］等使用超聲波輔助激光焊對1 mm厚6061鋁合金進行焊接，探究了超聲波對6061鋁合金焊接變形的抑制作用。劉懷亮［5］等人探究了采用激光擺動焊接工藝焊接6061鋁合金，通過調整焊接速度與激光功率的匹配關系，能夠形成穩定均勻的魚鱗紋狀焊縫形貌。余世文［6］等人采用激光擺動焊接方法對6 mm厚5183 鋁合金進行焊接，通過調節激光擺動參數獲得了氣孔率極低的焊接接頭，進一步提高了焊縫的力學性能。然而，對5A01鋁合金薄板激光焊的研究還鮮有報道。

激光擺動焊是利用掃描振鏡實現聚焦光束的擺動，與傳統固定光束相比，具有焊接精度高、焊縫成形好、可抑制飛濺和氣孔等優點［7］。本文使用IPG光纖激光器對1.0 mm厚5A01鋁合金薄板進行脈沖激光擺動焊接試驗，得到焊縫成形良好的工藝參數，并對焊接接頭的顯微組織和力學性能進行分析。

1 試驗材料與方法

試驗采用兩塊100 mm×100 mm×1 mm的5A01鋁合金試板進行拼焊，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。焊前首先用丙酮擦洗鋁板，去除鋁板上的油污，然后用角磨機打磨去除鋁板表面的氧化膜。由于焊接試板較薄，焊接時采用壓板進行固定，將兩塊試板安裝間隙控制在0.15 mm以下，同時還可以防止焊接過程中出現錯動以及焊接變形。保護氣體為純Ar。經過前期大量試驗得知，當激光功率較低時，所需焊接速度較小，此時焊接過程中的穩定性變差，焊縫成形也會受到影響；當選用激光功率過高時，所需焊接速度大，易造成焊縫不連續。本研究采用的激光焊接參數如表3所示。

表1 5A01鋁合金的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical compositions of 5A01 aluminum alloy （wt.%）

表2 5A01鋁合金的力學性能Table 2 Mechanical properties of 5A01 aluminum alloy

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding parameters

試驗采用IPG公司的6 kW光纖激光器，激光焊接頭為Precitec公司的YW52擺動焊接頭，焊接時可通過掃描振鏡使光束沿垂直于焊接方向進行掃描，實現激光擺動焊接，如圖1所示。為了防止鋁合金的回反光燒毀激光器，焊接時焊接頭向焊接方向傾斜15°。

圖1 激光擺動焊接示意Fig.1 Schematic diagram of laser swing welding

焊接結束后，按照GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》在焊接試板上切割出拉伸試樣和金相試樣。拉伸試樣尺寸如圖2所示，使用微機控制電子萬能試驗機（WDW-300-I）對試樣進行拉伸試驗，測試試樣垂直于焊接方向，同時測試2個平行試樣，并觀察分析拉伸斷口形貌特征。在焊縫處截取10 mm×10 mm的金相試樣，經過鑲嵌、研磨、拋光后進行腐蝕，腐蝕液為keller試劑（蒸餾水95 mL+硝酸2.5 mL+鹽酸1.5 mL+氫氟酸1 mL），然后采用徠卡DMILM型金相顯微鏡和日本電子JSM-IT500HR掃描電子顯微鏡觀察接頭處焊縫微觀組織，采用HVS-1000Z硬度計測試焊接接頭區域的顯微硬度。

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

2 試驗結果分析

2.1 焊縫表面成形

采用表3的工藝參數獲得的焊縫形貌如圖3所示，焊縫正反兩面成形良好，表面無裂紋、匙孔、咬邊、夾雜等缺陷。

圖3 5A01鋁合金焊縫形貌Fig.3 Weld profile of 5A01 aluminum alloy

2.2 接頭組織形貌

焊接接頭宏觀組織形貌如圖4所示，從左到右依次為母材區、熱影響區、熔合區、焊縫區。由于激光焊接熱輸入較小，冷卻速度快，使得熱影響區晶粒來不及長大就開始冷卻，導致熱影響區較窄，并且其組織與母材區基本相同。雖然增加了擺動參數促進熔池流動、氣孔逸出，可在焊縫區依然出現了少量氣孔，這是因為來自試板表面水氣中的氫原子在熔池金屬中具有一定的溶解度，雖然在固體中的溶解度極小，但激光焊接冷卻速度極快，導致溶解的氫來不及逸出，從而殘留在凝固的金屬內部，形成氫氣孔［8］。

圖4 焊接接頭宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of welded joint

焊縫區域的顯微組織如圖5所示，室溫下母材由基體（Mg在Al中的固溶體）和少量的金屬間化合物（主要為Mg2Al3）組成［9］。從圖5可以觀察到熔池中靠近母材的熔融金屬會首先借助母材進行連續長大結晶，在垂直于熔合線方向（最大導熱方向）上形成柱狀晶，這是由于激光熱源集中，焊接速度快，以及鋁合金自身導熱性好等因素，使得激光焊接熔池冷卻速度很快，因此熔池金屬處于動態非平衡結晶；隨著柱狀晶的進一步生長，在逐漸靠近焊縫內部的過程中，溫度梯度逐漸下降，粗大的柱狀晶逐漸細化［10］；在最后凝固階段，部分晶體趨向于自發形核并長大成為等軸晶，這是因為焊縫中心冷卻速度相對較慢，熔池內部沿著各個方向的過冷度差別不大，使晶體沿著各個方向的生長速度大致相同。此外，在激光頭擺動攪拌和脈沖激光震動的作用下，能夠使焊縫中心枝晶進一步破碎，為新的晶粒提供形核位置，使得內部晶粒得到細化。

圖5 焊接接頭微觀組織Fig.5 Microstructure of the welded joint

2.3 力學性能

2.3.1 顯微硬度

使用HVS-1000Z硬度計沿著以焊縫中心為分界線的左右對稱區域每間隔0.25 mm測定一個硬度值，得到焊縫硬度分布曲線如圖6所示。可以看出，焊接接頭存在軟化現象，焊縫中心區硬度最低，僅為55.8 HV，硬度沿熱影響區和母材區逐漸升高，母材區硬度最高，平均硬度71.4 HV。這是因為5A01為非熱處理強化鋁合金，在焊縫區熔化再結晶過程中，其局部冷作硬化作用消失，從而造成焊縫區軟化嚴重［11］。另外，在5A01鋁合金中由于鎂的高蒸汽壓和低熔點容易導致部分Mg元素在激光焊接高溫作用下蒸發損耗，降低了焊縫區域硬度，同時焊接過程中在焊縫處產生的微氣孔也會降低焊縫區域硬度［12］。

圖 6 接頭顯微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution of welded joints

2.3.2 拉伸性能

對焊縫試樣進行拉伸試驗，結果如表4所示。試樣斷裂位置均發生在焊縫，并且焊接接頭抗拉強度和斷后伸長率與母材相比均有大幅降低，抗拉強度約為母材的66%，斷后伸長率約為母材的41%。觀察焊縫斷口發現（見圖7a），焊接接頭斷裂部位與母材相比出現了較小的頸縮，這是因為拉伸時在焊縫區的氣孔處易產生應力集中現象，使抗拉強度降低，大幅減小焊接接頭的斷后伸長率［13］。此外，由于激光焊接能量密度高、加熱集中，薄板容易因受熱不均產生較大內應力，也降低了焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率。

表 4 接頭拉伸性能Table 4 Tensile properties of welded joint

拉伸斷口微觀形貌如圖7所示，焊縫在受到超過屈服強度的拉伸載荷時，發生塑性變形，產生頸縮，斷面周圍的晶粒處于三向應力狀態，使得沉淀相、夾雜物與晶界分離形成微孔。由圖7c可以看出，這些微孔在拉應力作用下變成密集分布韌窩，韌窩中心未發現明顯的第二相析出，由于焊后抗拉強度的降低，繼續增加拉應力韌窩很難被拉長，呈現出小而淺的特點。隨著拉伸應力的繼續增大，大量位錯同時開動，在晶界及第二相顆粒的阻礙下產生應力集中引起應變，裂紋源進行擴展，在焊縫內部氣孔作用下很容易造成焊縫斷裂；一方面氣孔的產生容易引起應力集中，加速裂紋擴展，另一方面氣孔會降低焊縫的有效截面積，降低抗拉強度［14］。因此，焊接接頭斷裂的形式主要表現為韌窩斷裂，晶界及沉淀相對位錯的阻礙作用極大地降低了焊接接頭的韌性和斷后伸長率。

圖 7 拉伸斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of tensile specimen

3 結論及展望

（1）對1 mm厚的5A01鋁合金薄板進行激光擺動焊接，當焊接速度40 mm/s，激光功率1 600 W，脈沖頻率5 kHz，擺動頻率110 Hz，擺動直徑0.5 mm，能夠獲得成形良好、表面無缺陷的焊接接頭。

（2）激光擺動焊接焊縫從熔合線向焊縫的過渡區域為柱狀晶分布，焊縫中心有少量細小的等軸枝晶，在脈沖激光擺動的作用下焊縫組織能夠進一步細化。

（3）焊接接頭區域整體硬度和抗拉強度均低于母材區，由于氣孔存在，接頭抗拉強度僅為母材的66%，斷后伸長率為母材的41%，焊縫斷裂的形式主要為韌窩斷裂。

（4）本研究中鋁合金焊接接頭力學性能有明顯下降，下一步擬針對降低焊縫缺陷、改善組織形態等方面展開研究，以提高鋁合金焊接接頭的力學性能，促進薄板5A01鋁合金在工程領域的實際應用。