許 飛，陳 俐，何恩光，郭路云

(北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024)

2024-T4鋁合金光纖激光填絲焊縫成形與組織性能的相關(guān)性

許 飛，陳 俐，何恩光，郭路云

(北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024)

2024-T4鋁合金光纖激光填絲焊縫橫截面分為釘頭形和近X形2種典型形貌，對比分析了該2種形貌的焊縫成形與組織形態(tài)、顯微硬度和接頭拉伸性能的相關(guān)性。結(jié)果表明：近X形橫截面的焊縫在焊接過程中更加平穩(wěn)，焊接飛濺更少。焊縫區(qū)的組織特征為垂直于熔合線相對生長的柱狀晶組織和焊縫中心的等軸晶組織。釘頭形焊縫中心晶粒的二次枝晶較發(fā)達(dá)，逐漸形成等軸樹枝晶，而近X形焊縫中心晶粒相對細(xì)小，呈現(xiàn)為等軸胞狀晶。與釘頭形橫截面的接頭相比，近X形橫截面的接頭焊縫區(qū)析出的強(qiáng)化相θ(Al2Cu)相對較多，平均顯微硬度值略高，熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象逐漸減弱，接頭強(qiáng)度和塑性略低。

2024-T4鋁合金；光纖激光；填絲焊；焊縫橫截面；顯微組織；拉伸性能

隨著大功率激光器的快速發(fā)展，激光深熔焊接技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域。然而，激光焊接還存在一些問題，比如焊前裝配精度要求嚴(yán)格[1]、焊接鋁合金時由于小孔波動劇烈易造成焊縫成形不良[2]等。激光填絲焊不僅能保持激光焊熱輸入低、焊接變形小和高效自動化焊接等優(yōu)點(diǎn)，而且可以顯著降低對接焊時的裝配精度[3]，改善激光焊接接頭的成形質(zhì)量[4]，防止裂紋產(chǎn)生，提高接頭的力學(xué)性能[3, 5]，因此更加適合于鋁合金薄壁件的焊接。相對于YAG,CO2等其他類型激光，光纖激光具有更好的光束質(zhì)量和激光亮度[6]。它的電光轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)25%～30%[7]，泵浦源壽命高于50000h。目前采用CO2激光或YAG激光開展的激光填絲焊接性方面的研究較多，但是關(guān)于光纖激光填絲焊接方面的研究相對較少。因此，開展此方面的研究，對推動光纖激光焊接技術(shù)的發(fā)展具有積極意義。

激光深熔焊接分為非穿透焊和穿透焊，工程應(yīng)用較多的是穿透焊。根據(jù)焊縫橫截面形狀幾何特征，鈦合金激光穿透焊的焊縫橫截面常分為“釘頭形”和“近X形”2種[8]。在本實(shí)驗(yàn)條件下，開展2024-T4鋁合金薄板大功率光纖激光填絲焊接實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)該鋁合金焊縫橫截面也呈現(xiàn)出上述2種典型形貌。因此，本工作對不同橫截面形貌的焊縫成形與其接頭組織性能的相關(guān)性進(jìn)行了分析研究，為鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為2.5mm厚2024-T4鋁合金板材和直徑為1.0mm的ER4043焊絲。2024鋁合金為Al-Cu-Mg系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性能[9]、較高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的綜合性能等，被廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船等殼體結(jié)構(gòu)件中。母材和焊絲的化學(xué)成分見表1。板材尺寸為200mm×100mm，焊前用化學(xué)清洗去除試板表面的油污和氧化膜。實(shí)驗(yàn)采用5kW的YLS-5000型大功率光纖激光器、推-拉式送絲裝置以及自制專用卡具來實(shí)現(xiàn)激光填絲焊接，采用一臺六軸機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動。激光通過光纖傳輸并反射后聚焦于工件表面，聚焦鏡焦距為160mm，焦斑φ0.28mm。激光頭的中軸線與焊接平面法線成10°，焊接過程中工作臺靜止，由機(jī)械手帶動激光頭和導(dǎo)絲嘴相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)激光填絲焊接。焊接過程中通入2路氬氣對熔池和焊縫高溫區(qū)進(jìn)行全方位保護(hù)。

表1 鋁合金母材和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Table 1 Chemical compositions of 2024-T4 aluminum alloy and filler wire (mass fraction/%)

焊接實(shí)驗(yàn)采用平板堆焊方式，焊后從焊接試板上分別取樣，選取“釘頭形”和“近X形”2種典型橫截面的焊接接頭(如圖1所示)，其主要焊接參數(shù)如表2所示。經(jīng)處理后進(jìn)行金相分析、X射線衍射分析及顯微硬度測試，拉伸測試采用對接焊方式，依據(jù)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣(焊縫正反面余高均加工至與母材表面齊平)，并按照該標(biāo)準(zhǔn)完成室溫橫向拉伸測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形與焊接過程穩(wěn)定性的相關(guān)性

高能量密度的激光束作用于母材形成熔池，在熔池中通過“小孔效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)深熔焊接，同時產(chǎn)生大量金屬蒸氣/等離子體，再加上鋁合金在熔融狀態(tài)時表面張力較小，液態(tài)熔池在小孔內(nèi)金屬蒸氣/等離子體的反沖作用下，很容易產(chǎn)生飛濺。飛濺與焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量關(guān)系密切[10]。當(dāng)焊接飛濺較少時，焊接過程相對平穩(wěn)。當(dāng)焊接熱輸入較大時，金屬氣化作用更為顯著，熔池體積相對較大，造成的焊接飛濺呈現(xiàn)相對增加趨勢。

圖1 釘頭形(a)和近X形(b)焊縫的橫截面形貌Fig.1 Cross-section appearance of nail shape weld (a) and near X shape weld (b)

表2 2024-T4鋁合金光纖激光填絲焊接參數(shù)Table 2 Parameters of fiber laser welding with filler wire for 2024-T4 aluminum alloy

2024-T4鋁合金光纖激光填絲焊接性較好，焊縫飽滿、熔寬均勻一致性較好，焊縫表面無下塌、焊漏、駐絲、咬邊等缺陷，僅在焊縫附近產(chǎn)生輕微的飛濺(如圖2所示)；經(jīng)X射線檢測，焊縫內(nèi)部無裂紋、標(biāo)超氣孔或夾雜。從圖2對比發(fā)現(xiàn)，采用低焊接速率和低激光功率時，獲得的釘頭形焊縫熔寬相對較寬，在焊接過程中產(chǎn)生相對較多的飛濺，且飛濺顆粒尺寸相對較大；而采用高焊接速率和大激光功率時，獲得的近X形焊縫熔寬雖然相對較窄，但是焊接過程更加平穩(wěn)，飛濺數(shù)量相對較少，飛濺顆粒尺寸相對較小。

圖2 釘頭形(a)和近X形(b)焊縫宏觀形貌Fig.2 Macrographs of nail shape weld (a) and near X shape weld (b)

2.2 焊縫成形與組織形態(tài)的相關(guān)性

分別選取2種典型焊縫的正表面和橫截面制備金相試樣，采用Olympus S231TR體式顯微鏡和Olympus PMG3光學(xué)顯微鏡觀察接頭近表層宏觀組織和橫截面微觀組織。從圖3(a)，(d)中發(fā)現(xiàn)，柱狀晶組織從接頭熔合線向焊縫中心相對生長，在焊縫中心形成等軸晶組織。經(jīng)測量，釘頭形焊縫近表層熔寬約2.2mm，等軸晶區(qū)橫向所占比例約36.4%；近X形焊縫近表層熔寬約1.6mm，等軸晶區(qū)橫向所占比例約30%。其主要原因是近X形焊縫采用大功率高速焊接，液態(tài)熔池的冷卻速率相對更快，從焊接小孔至熔池邊緣的溫度梯度更大，柱狀晶組織沿最大溫度梯度方向的生長速率相對更快，導(dǎo)致柱狀晶區(qū)范圍更大。與釘頭形焊縫相比，近X形焊縫區(qū)的柱狀晶組織和等軸晶組織均呈現(xiàn)相對細(xì)化特征，這點(diǎn)從焊縫區(qū)微觀組織中也可以看出。

圖3 光纖激光填絲焊接釘頭形焊縫(a), (b), (c)和近X形焊縫(d), (e), (f)組織(a),(d)焊縫正面近表層;(b),(e)接頭橫截面熔合區(qū);(c),(f) 橫截面焊縫中心Fig.3 Weld structures of nail shape (a)-(c) and near X shape (d)-(f) by fiber laser welding with filler wire(a),(d)near surface of weld;(b),(e)fusion zone in cross-section of joint;(c),(f)weld center in cross-section of joint

從圖3(b)，(e)中發(fā)現(xiàn)，半熔化區(qū)和熱影響區(qū)都很窄，新相以熔合線附近局部熔化的晶粒為現(xiàn)成界面形核，沿近似垂直于熔合線方向(最大溫度梯度方向)呈聯(lián)生結(jié)晶、外延長大[11]的方式向焊縫中心生長，形成柱狀晶組織。由于激光焊接過程伴隨著小孔的劇烈波動和熔池流動，熔池在快速凝固過程中的最大溫度梯度方向不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致柱狀晶生長方向也發(fā)生相應(yīng)變化而呈現(xiàn)出不完全一致的特征。柱狀晶的生長將大量溶質(zhì)元素推向熔池中心，致使熔池從熔合線附近至焊縫中心的成分過冷呈逐漸增加的趨勢，當(dāng)成分過冷達(dá)到某一閾值時，柱狀晶組織的生長被抑制，晶核依附于液態(tài)熔池中未熔化的懸浮質(zhì)點(diǎn)形核和長大，從而形成等軸晶組織，如圖3(c)，(f)所示。由于光纖激光焊接能量密度高度集中、冷卻速率非?？?，因而熔池的凝固速率非?？欤缚p晶粒組織比母材細(xì)小得多。焊縫組織經(jīng)歷快速熔凝過程后，呈現(xiàn)出亞共晶組織特征，即為初晶α-Al和細(xì)小的共晶組織(α-Al+Si)。釘頭形焊縫由于采用較高的焊接熱輸入，焊縫區(qū)柱狀晶組織和等軸晶組織均相對粗化，等軸晶的二次枝晶相對發(fā)達(dá)，逐漸形成等軸樹枝晶。大功率高速焊接條件下熔池的冷卻速率更快，獲得的近X形焊縫中心的等軸晶來不及長大，故呈現(xiàn)出等軸胞狀晶形貌，且在晶界處彌散分布著大量低熔共晶組織，這些低熔共晶組織對接頭的室溫力學(xué)性能會產(chǎn)生一定影響。

2種典型焊縫的X射線衍射結(jié)果如圖4所示。與母材相比，焊縫中有θ(Al2Cu)相生成。由于光纖激光高能量密度的熱作用，θ相在快速凝固過程中，從過飽和固溶體中產(chǎn)生。當(dāng)凝固速率較快時，θ相的析出就會更明顯。因此，相對釘頭形焊縫，近X形焊縫θ相的數(shù)量更多。另外一些強(qiáng)化相，如S(Al2CuMg)相等，也可能在焊縫中產(chǎn)生。由于2024鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，若對焊縫進(jìn)行焊后熱處理，這些相可能都會呈現(xiàn)出來。

圖4 2024-T4鋁合金焊縫區(qū)X射線衍射分析圖譜Fig.4 XRD spectra of weld zone in 2024-T4 aluminum alloy

2.3 焊縫成形與顯微硬度的相關(guān)性

焊接接頭橫截面的橫向顯微硬度分布如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)焊接接頭普遍存在焊縫區(qū)軟化現(xiàn)象，即焊縫區(qū)硬度低于母材。當(dāng)采用低速低功率焊接(較高焊接熱輸入)時，所獲得的釘頭形焊縫除焊縫中心存在硬度最低點(diǎn)外，在熱影響區(qū)附近還存在一個明顯的硬度低點(diǎn)。而采用高速高功率焊接(較低焊接熱輸入)時，所獲得的近X形焊縫僅在焊縫中心硬度較低，而在熱影響區(qū)附近的硬度低點(diǎn)并不明顯，表明熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象相對減弱[12]。同時，近X形焊縫區(qū)的硬度起伏相對較小。經(jīng)計算，釘頭形焊縫區(qū)平均顯微硬度為92.35HV0.2，近X形焊縫區(qū)平均顯微硬度為97.82HV0.2，分別達(dá)到母材硬度的73.13%和77.47%。因此，與釘頭形焊縫相比，近X形焊縫區(qū)的平均顯微硬度值略高，這也正好與近X形焊縫區(qū)顯微組織相對細(xì)小相吻合。

圖5 焊接接頭橫向顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distributions of welded joints in transverse direction

2.4 焊縫成形與拉伸性能的相關(guān)性

不同焊縫形貌的焊接接頭的拉伸測試結(jié)果如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，光纖激光填絲焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為354.80MPa，達(dá)到母材水平的84.88%。而TIG或MIG焊接接頭的抗拉強(qiáng)度僅約為母材的60%[13]，故與傳統(tǒng)熔焊方法相比，光纖激光填絲焊接鋁合金的力學(xué)性能有了顯著的提高。從顯微硬度角度考慮，焊縫區(qū)硬度低于母材，相當(dāng)于在焊接接頭中形成一個“軟夾層”。當(dāng)外加載荷時，拉伸試樣的屈服變形首先產(chǎn)生在硬度較低而塑性較好的焊縫區(qū)，并最終在該區(qū)發(fā)生斷裂。從斷裂位置看，無論是釘頭形焊縫還是近X形焊縫，3個拉伸試樣中均有1件斷裂于焊縫中心，另2件起裂于焊縫中心，呈近似45°方向擴(kuò)展，并最終斷裂于熔合線附近。從微觀組織分析發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)有2個硬度低點(diǎn)，即焊縫中心和熔合線附近。焊縫中心硬度最低，且顯微組織為等軸晶組織，該區(qū)在拉伸外力作用下首先產(chǎn)生塑性變形，隨拉伸外力的持續(xù)增加，該區(qū)產(chǎn)生縮頸的概率較大，往往成為裂紋萌生的起源。而熔合線附近的晶粒形態(tài)差異較大，且該區(qū)范圍較窄，在外力作用下的塑性變形極不均勻，當(dāng)裂紋萌生后，該區(qū)有利于引導(dǎo)裂紋的擴(kuò)展。然而，激光填絲焊接接頭的斷后伸長率較低，僅達(dá)到母材水平的12.93%。因此，若使焊接接頭的綜合力學(xué)性能滿足更高要求，還可以通過焊后熱處理制度來實(shí)現(xiàn)[14,15]。

表3 2024-T4鋁合金光纖激光填絲焊接接頭的拉伸性能Table 3 Tensile properties of welded joints by fiber laser welding with filler wire for 2024-T4 aluminum alloy

對比不同焊縫形貌的接頭性能，發(fā)現(xiàn)釘頭形焊縫截面的接頭抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率均略高于近X形的焊縫截面。這與焊縫組織形態(tài)密切相關(guān)，也與焊縫熔寬和接頭橫截面的熔化面積密切相關(guān)。經(jīng)測量，典型釘頭形焊縫的正面和背面熔寬分別為4.21mm和2.63mm，而近X形焊縫的正面和背面熔寬分別為3.26mm和2.53mm。釘頭形焊縫的熔寬相對較寬且接頭橫截面的熔化面積相對較大，故焊縫區(qū)受拉伸外力作用，在斷裂前吸收更多的能量，形變量相對較大。

光纖激光填絲焊接接頭拉伸斷口如圖6所示。從局部放大的斷口照片中可以明顯地發(fā)現(xiàn)斷口呈現(xiàn)穿晶斷裂特征，這與拉伸過程中裂紋萌生后并快速擴(kuò)展有直接的關(guān)系。拉伸斷口呈現(xiàn)出韌窩形貌，韌窩尺寸較小，深度較淺，尺寸比較均勻。

圖6 拉伸斷口宏觀(a)和微觀(b)形貌Fig.6 Macrograhy (a) and micrography (b) of tensile fracture

3 結(jié)論

(1)在本實(shí)驗(yàn)條件下，2024-T4鋁合金光纖激光填絲焊接接頭質(zhì)量良好。釘頭形焊縫熔寬相對較寬；近X形焊縫熔寬相對較窄，且在焊接過程中產(chǎn)生相對較少的飛濺。

(2)柱狀晶從接頭熔合線向焊縫中心相對生長，在焊縫中心形成等軸晶組織。等軸晶形態(tài)與焊縫橫截面形狀密切相關(guān)，釘頭形焊縫中心為等軸樹枝晶組織，而近X形焊縫中心為等軸胞狀晶組織，且等軸晶區(qū)在接頭橫截面上所占比例相對較少。

(3)與釘頭形焊縫相比，近X形焊縫區(qū)析出的強(qiáng)化相θ(Al2Cu)相對較多，平均顯微硬度值略有增加。

(4)焊縫橫截面形狀對焊接接頭的室溫拉伸性能影響較小。焊接接頭具有較好的拉伸性能，平均抗拉強(qiáng)度為354.80MPa，達(dá)到母材水平的84.88%，拉伸斷裂均發(fā)生在焊縫區(qū)，斷口為韌性斷裂。

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2015-08-31；

2017-07-26

許飛(1982-)，男，高級工程師，碩士，主要從事輕質(zhì)合金激光焊接方面的研究工作，聯(lián)系地址：北京朝陽區(qū)八里橋北東軍莊1號北京航空制造工程研究所104室(100024)，E-mail:xufei_0623@163.com

(本文責(zé)編：齊書涵)

Correlation of Weld Appearance with Microstructure andMechanical Properties of 2024-T4 Aluminum Alloy Weldedby Fiber Laser with Filler Wire

XU Fei,CHEN Li,HE En-guang,GUO Lu-yun

(Key Laboratory of High Energy Beam Processing Technology,Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China)

Two typical cross-section of welds, including nail shape and near X shape, are obtained in the process of fiber laser welding 2024-T4 Al alloy with filler wire. The correlations of the two weld appearances and other elements (such as microstructure, microhardness, and joint’s tensile properties) were analyzed. The results show that the weld with near X shape cross-section during the welding process is more stable than that with nail shape cross-section, and the welding spatter of the former is smaller than that of the latter. The microstructure of the weld zone is columnar grains and equiaxed grains, the columnar grains are formed near the fusion line and growing along the vertical direction of the fusion line, the equiaxed grains are distributed in the center of the weld zone. The secondary dendrite of the grains in the center of the weld with nail shape cross-section grows better, and gradually forms to equiaxed dendrite, while the grains size of the weld with near X shape cross-section is relatively finer, exhibiting equiaxed cellular grain. Compared with the joint with nail shape cross-section of the weld, the joint with near X shape cross-section of the weld have some different characteristics, the precipitation strengthening phase θ(Al2Cu) content in weld zone of the latter is more than that of the former, the average microhardness value of the weld zone of the latter is higher than that of the former, the softening phenomenon of heat affect zone (HAZ) of the latter is weaker than that of the former, and the joint’s tensile strength and plasticity of the latter are lower than that of the former slightly.

2024-T4 Al alloy;fiber laser;welding with filler wire;cross-section of weld;microstructure;tensile property

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001071

TG456.7

A

1001-4381(2017)11-0090-06