论文部分内容阅读
摘要：对铝合金6005A与5052进行异种铝合金激光填丝焊，研究了焊接接头的微观组织及力学性能，并对接头断口微观特征进行了分析。结果表明，焊缝中心为等轴晶与树枝晶，铝合金6005A侧熔合线附近存在清晰柱状晶，铝合金5052侧熔合线较为模糊。拉伸时在铝合金6005A侧热影响区断裂。焊接件焊接接头的平均抗拉强度为197.9 MPa，达到铝合金6005A母材抗拉强度的83%。断裂特征为韧性断裂，接头弯曲性能良好。
关键词：激光填丝焊；异种铝合金；显微组织；力学性能
中图分类号：TG 44 文献标志码：A
基金项目：辽宁省‘兴辽英才计划’项目资助（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鋁合金与5052铝合金被广泛的应用于轨道车辆及汽车制造等领域[1]，在生产过程中常会出现需要将6005A与5052异种铝合金焊接的情况。目前铝合金焊接大多以熔化极惰性气体保护（metal-inert gas，MIG）焊、钨极惰性气体（tungsten inert gas，TIG）保护焊为主，但这两种焊接方法在焊接过程中因其热输入高、焊接变形大、熔深浅等对其应用产生了一定制约[2]。激光焊接是高能束焊接方法之一，与常规的熔化焊相比，能量更为集中，具有更低的热输入及变形，并具有更大的熔深，焊缝成型更为美观，可以提高焊接接头的质量，焊接铝合金具有一定优势[3-5]，激光填丝焊接是通过预置焊丝或同步送丝的方法对试板进行焊接，可以明显地降低激光焊接对装配精度的要求，同时能改善焊缝的合金成分，并能防止焊缝裂纹的产生，提高激光焊接的应用范围[6]。采用以碟片式激光器为主的激光焊接试验平台对板厚3 mm的6005A铝合金与5052铝合金进行异种铝合金激光填丝焊接，研究了5052与6005A异种铝合金激光填丝焊接头的力学性能、显微组织、断口形貌等。
1 试验材料与方法
试验母材为6005A-T4及5052-H32铝合金，试板规格为300 mm×150 mm×3 mm。填充材料为ER5087，焊丝直径为1.2 mm。保护气体为Ar，质量分数大于99.99%，母材和焊丝化学成分如表1所示。对母材进行力学性能试验得出，6005A-T4铝合金的平均抗拉强度为238.35 MPa，断后伸长率为14.06%。5052-H32铝合金的平均抗拉强度为224.14 MPa，断后伸长率为14.96%。
焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰尘等，用气动钢丝刷打磨焊缝及其两侧25 mm区域内氧化膜至露出金属光泽，并用酒精对待焊部位进行清理。接头为I型坡口，焊接采用了以TRUDISK8002激光器为主的激光焊接试验平台，焊接过程中激光通过直径200 μm的光纤进行传输。焊接过程示意图如图1所示，焊接工艺参数如表2所示。
2 试验结果及分析
2.1 焊接接头力学性能分析
焊后使用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机对焊接接头进行横向拉伸破坏性试验，试验结果见表3。断裂均发生在铝合金6005A侧的热影响区，说明铝合金6005A侧热影响区存在软化现象，为接头薄弱处[7]，断裂位置距离焊缝中心约为8 mm，接头的平均抗拉强度为197.9 MPa，达到6005A铝合金母材抗拉强度的83%。铝合金弧焊一般要求接头抗拉强度为母材的70%，激光填丝焊接头抗拉强度有所提高。图2为接头拉伸断裂试样。图3为拉伸试样断口微观形貌，分析发现接头的断口较为平缓，存在大量的等轴韧窝，韧窝尺寸较大、较深，断口表面存在滑移分离，呈现出蛇形滑动特征，撕裂楞上分布着细小的韧窝，为韧性断裂[8-9]。
使用AG-X 250KN电子万能试验机对焊接接头进行弯曲试验，弯曲角180°，压头直径38 mm，试验结果见表4，接头弯曲形貌见图4。从表4和图4的结果可知，试样在焊缝中心达到最大圆弧过渡，未出现开裂现象[10]，符合GB/T29710—2013《电子束及激光焊接工艺评定试验方法》，所有弯曲试样弯曲结果合格，焊接接头抗弯能力良好。
2.2 焊接接头金相组织
使用蔡司M2m光学显微镜对焊接接头不同位置进行金相观察。图5为焊缝的截面宏观形貌。图6为焊接接头显微组织。图6（a）和图6（b）分别为铝合金6005A和5052侧熔合线及热影响区附近组织，可以看出铝合金6005A侧熔合线更为明显，靠近热影响区侧存在细小的等轴晶，靠近焊缝一侧存在方向性明显的粗大柱状晶，且向焊缝内部延伸，晶粒之间排列规则，热影响区晶粒并未发生明显的长大[11]。铝合金5052侧熔合线附近存在向焊缝内部延伸的较为杂乱晶界不明显的柱状晶，热影响区晶粒发生一定程度的长大。图6（c）为焊缝组织，组织为细小的树枝晶与等轴晶[12-13]，晶粒之间存在明显的各向异性，原因是焊缝内温度梯度相对较小并存在一定的偏析，成分过冷，并且焊缝冷却速度与形核速度较快，晶粒来不及长大。
为进一步明确两侧熔合线附近金相组织情况，对试验母材进行了MIG焊，MIG焊焊缝的截面形貌如图7所示。图8（a）和图8（b）分别为MIG焊后铝合金6005A侧熔合线与铝合金5052侧熔合线附近组织，图8（c）为焊缝组织。从图8可以看出，铝合金6005A侧熔合线更为清晰，铝合金5052侧则更为模糊，铝合金6005A侧柱状晶较为粗大清晰方向性明显，铝合金5052侧柱状晶则相对无规则，与激光填丝焊接头金相组织情况一致，MIG焊两侧热影响区晶粒均存在明显的长大现象，因为MIG焊热输入相对激光填丝焊更大，焊缝则为典型的铸造组织[14-15]。对比激光填丝焊与MIG焊金相组织可以清晰的看出激光填丝焊的焊缝、热影响区组织更为细小，热影响区更窄。
3 结 论
（1） 采用激光填丝焊接与MIG焊接对5052与6005A异种铝合金进行焊接，焊接接头熔合良好，铝合金6005A侧熔合线更清晰。
（2） 接头的平均抗拉强度为197.9 MPa，断裂位置出现在6005A侧的热影响区，断口存在大量的韧窝，为韧性断裂，焊接接头抗弯能力良好，弯曲角180°时所有弯曲试样未出现开裂现象。
（3） 激光填丝焊接头与MIG焊接头，焊缝为明显的铸造组织，两侧熔合线靠近焊缝侧存在粗大的柱状晶，两侧热影响区组织存在长大现象，激光填丝焊接接头各区域组织更为细小。
参考文献：
[ 1 ]胡靖元， 刘志颖， 李培跃， 等. 5083/6063异种铝合金MIG焊接接头组织和力学性能[J]. 热加工工艺， 2018， 47（19）： 237–239.
[ 2 ]周金旭， 李岩， 杨宇， 等. 6005A铝合金CMT与MIG焊接头组织及性能研究[J]. 有色金属加工， 2020， 49（1）： 22–25.
[ 3 ]李飞， 孔晓芳， 吴世凯， 等. 5083铝合金光纤激光—变极性TIG复合填丝焊接工艺研究[J]. 应用激光， 2014， 34（3）： 223–227.
[ 4 ]许飞， 李晓延， 杨璟， 等. 5A06铝合金激光填丝焊工艺研究[J]. 焊接， 2008（8）： 26–28.
[ 5 ]SáNCHEZ-AMAYA J M， BOUKHA Z， AMAYAVáZQUEZ M R， et al. Weldability of aluminum alloys with high-power diode laser[J]. Welding Journal， 2012， 91（5）： 155–161.
[ 6 ]許飞， 陈俐， 巩水利， 等. 5A06铝合金激光填丝焊接头组织性能分析[J]. 应用激光， 2009， 29（2）： 83–86.
[ 7 ]薛海峰， 梁连杰， 孙景楠， 等. 高速列车侧墙大型材激光-MIG复合焊接[J]. 电焊机， 2015， 45（2）： 49–52.
[ 8 ]严军， 高明， 曾晓雁， 等. 激光-MIG复合焊接2A12铝合金工艺和接头性能[J]. 中国有色金属学报， 2009， 19（12）： 2112–2118.
[ 9 ]陆正萍， 张桢， 蒋云泽. Cu含量对喷射成形7055铝合金微观组织和力学性能的影响[J]. 有色金属材料与工程， 2018， 39（1）： 1–5.
[10]火巧英， 李东风， 戴忠晨， 等. 6005A-5083异种铝合金激光-MIG复合焊接[J]. 电焊机， 2015， 45（3）： 98–102.
[11]杨得帅. 6061铝合金激光焊接接头组织及力学性能研究[D]. 济南： 山东大学， 2014.
[12]续敏， 李向荣， 杨化林. 5052铝合金激光焊接接头组织和性能研究[J]. 热加工工艺， 2017， 46（1）： 236–237.
[13]SáNCHEZ-AMAYA J M， BOUKHA Z， AMAYAVáZQUEZ M R， et al. Analysis of the laser weldability under conduction regime of 2024， 5083， 6082 and 7075 aluminium alloys[J]. Materials Science Forum， 2012， 713： 7–12.
[14]乔建毅， 邵有发， 阮野， 等. 铝合金6082和5083MIG焊接头的微观组织和性能[J]. 材料导报B： 研究篇， 2016， 30（12）： 94–97.
[15]邢艳双， 张志强， 赵秦亿， 等. 6082-T6/6005A-T6异种铝合金MIG焊接头的组织与性能[J]. 轻合金加工技术， 2018， 46（7）： 58–64.
关键词：激光填丝焊；异种铝合金；显微组织；力学性能
中图分类号：TG 44 文献标志码：A
基金项目：辽宁省‘兴辽英才计划’项目资助（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鋁合金与5052铝合金被广泛的应用于轨道车辆及汽车制造等领域[1]，在生产过程中常会出现需要将6005A与5052异种铝合金焊接的情况。目前铝合金焊接大多以熔化极惰性气体保护（metal-inert gas，MIG）焊、钨极惰性气体（tungsten inert gas，TIG）保护焊为主，但这两种焊接方法在焊接过程中因其热输入高、焊接变形大、熔深浅等对其应用产生了一定制约[2]。激光焊接是高能束焊接方法之一，与常规的熔化焊相比，能量更为集中，具有更低的热输入及变形，并具有更大的熔深，焊缝成型更为美观，可以提高焊接接头的质量，焊接铝合金具有一定优势[3-5]，激光填丝焊接是通过预置焊丝或同步送丝的方法对试板进行焊接，可以明显地降低激光焊接对装配精度的要求，同时能改善焊缝的合金成分，并能防止焊缝裂纹的产生，提高激光焊接的应用范围[6]。采用以碟片式激光器为主的激光焊接试验平台对板厚3 mm的6005A铝合金与5052铝合金进行异种铝合金激光填丝焊接，研究了5052与6005A异种铝合金激光填丝焊接头的力学性能、显微组织、断口形貌等。
1 试验材料与方法
试验母材为6005A-T4及5052-H32铝合金，试板规格为300 mm×150 mm×3 mm。填充材料为ER5087，焊丝直径为1.2 mm。保护气体为Ar，质量分数大于99.99%，母材和焊丝化学成分如表1所示。对母材进行力学性能试验得出，6005A-T4铝合金的平均抗拉强度为238.35 MPa，断后伸长率为14.06%。5052-H32铝合金的平均抗拉强度为224.14 MPa，断后伸长率为14.96%。
焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰尘等，用气动钢丝刷打磨焊缝及其两侧25 mm区域内氧化膜至露出金属光泽，并用酒精对待焊部位进行清理。接头为I型坡口，焊接采用了以TRUDISK8002激光器为主的激光焊接试验平台，焊接过程中激光通过直径200 μm的光纤进行传输。焊接过程示意图如图1所示，焊接工艺参数如表2所示。
2 试验结果及分析
2.1 焊接接头力学性能分析
焊后使用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机对焊接接头进行横向拉伸破坏性试验，试验结果见表3。断裂均发生在铝合金6005A侧的热影响区，说明铝合金6005A侧热影响区存在软化现象，为接头薄弱处[7]，断裂位置距离焊缝中心约为8 mm，接头的平均抗拉强度为197.9 MPa，达到6005A铝合金母材抗拉强度的83%。铝合金弧焊一般要求接头抗拉强度为母材的70%，激光填丝焊接头抗拉强度有所提高。图2为接头拉伸断裂试样。图3为拉伸试样断口微观形貌，分析发现接头的断口较为平缓，存在大量的等轴韧窝，韧窝尺寸较大、较深，断口表面存在滑移分离，呈现出蛇形滑动特征，撕裂楞上分布着细小的韧窝，为韧性断裂[8-9]。
使用AG-X 250KN电子万能试验机对焊接接头进行弯曲试验，弯曲角180°，压头直径38 mm，试验结果见表4，接头弯曲形貌见图4。从表4和图4的结果可知，试样在焊缝中心达到最大圆弧过渡，未出现开裂现象[10]，符合GB/T29710—2013《电子束及激光焊接工艺评定试验方法》，所有弯曲试样弯曲结果合格，焊接接头抗弯能力良好。
2.2 焊接接头金相组织
使用蔡司M2m光学显微镜对焊接接头不同位置进行金相观察。图5为焊缝的截面宏观形貌。图6为焊接接头显微组织。图6（a）和图6（b）分别为铝合金6005A和5052侧熔合线及热影响区附近组织，可以看出铝合金6005A侧熔合线更为明显，靠近热影响区侧存在细小的等轴晶，靠近焊缝一侧存在方向性明显的粗大柱状晶，且向焊缝内部延伸，晶粒之间排列规则，热影响区晶粒并未发生明显的长大[11]。铝合金5052侧熔合线附近存在向焊缝内部延伸的较为杂乱晶界不明显的柱状晶，热影响区晶粒发生一定程度的长大。图6（c）为焊缝组织，组织为细小的树枝晶与等轴晶[12-13]，晶粒之间存在明显的各向异性，原因是焊缝内温度梯度相对较小并存在一定的偏析，成分过冷，并且焊缝冷却速度与形核速度较快，晶粒来不及长大。
为进一步明确两侧熔合线附近金相组织情况，对试验母材进行了MIG焊，MIG焊焊缝的截面形貌如图7所示。图8（a）和图8（b）分别为MIG焊后铝合金6005A侧熔合线与铝合金5052侧熔合线附近组织，图8（c）为焊缝组织。从图8可以看出，铝合金6005A侧熔合线更为清晰，铝合金5052侧则更为模糊，铝合金6005A侧柱状晶较为粗大清晰方向性明显，铝合金5052侧柱状晶则相对无规则，与激光填丝焊接头金相组织情况一致，MIG焊两侧热影响区晶粒均存在明显的长大现象，因为MIG焊热输入相对激光填丝焊更大，焊缝则为典型的铸造组织[14-15]。对比激光填丝焊与MIG焊金相组织可以清晰的看出激光填丝焊的焊缝、热影响区组织更为细小，热影响区更窄。
3 结 论
（1） 采用激光填丝焊接与MIG焊接对5052与6005A异种铝合金进行焊接，焊接接头熔合良好，铝合金6005A侧熔合线更清晰。
（2） 接头的平均抗拉强度为197.9 MPa，断裂位置出现在6005A侧的热影响区，断口存在大量的韧窝，为韧性断裂，焊接接头抗弯能力良好，弯曲角180°时所有弯曲试样未出现开裂现象。
（3） 激光填丝焊接头与MIG焊接头，焊缝为明显的铸造组织，两侧熔合线靠近焊缝侧存在粗大的柱状晶，两侧热影响区组织存在长大现象，激光填丝焊接接头各区域组织更为细小。
参考文献：
[ 1 ]胡靖元， 刘志颖， 李培跃， 等. 5083/6063异种铝合金MIG焊接接头组织和力学性能[J]. 热加工工艺， 2018， 47（19）： 237–239.
[ 2 ]周金旭， 李岩， 杨宇， 等. 6005A铝合金CMT与MIG焊接头组织及性能研究[J]. 有色金属加工， 2020， 49（1）： 22–25.
[ 3 ]李飞， 孔晓芳， 吴世凯， 等. 5083铝合金光纤激光—变极性TIG复合填丝焊接工艺研究[J]. 应用激光， 2014， 34（3）： 223–227.
[ 4 ]许飞， 李晓延， 杨璟， 等. 5A06铝合金激光填丝焊工艺研究[J]. 焊接， 2008（8）： 26–28.
[ 5 ]SáNCHEZ-AMAYA J M， BOUKHA Z， AMAYAVáZQUEZ M R， et al. Weldability of aluminum alloys with high-power diode laser[J]. Welding Journal， 2012， 91（5）： 155–161.
[ 6 ]許飞， 陈俐， 巩水利， 等. 5A06铝合金激光填丝焊接头组织性能分析[J]. 应用激光， 2009， 29（2）： 83–86.
[ 7 ]薛海峰， 梁连杰， 孙景楠， 等. 高速列车侧墙大型材激光-MIG复合焊接[J]. 电焊机， 2015， 45（2）： 49–52.
[ 8 ]严军， 高明， 曾晓雁， 等. 激光-MIG复合焊接2A12铝合金工艺和接头性能[J]. 中国有色金属学报， 2009， 19（12）： 2112–2118.
[ 9 ]陆正萍， 张桢， 蒋云泽. Cu含量对喷射成形7055铝合金微观组织和力学性能的影响[J]. 有色金属材料与工程， 2018， 39（1）： 1–5.
[10]火巧英， 李东风， 戴忠晨， 等. 6005A-5083异种铝合金激光-MIG复合焊接[J]. 电焊机， 2015， 45（3）： 98–102.
[11]杨得帅. 6061铝合金激光焊接接头组织及力学性能研究[D]. 济南： 山东大学， 2014.
[12]续敏， 李向荣， 杨化林. 5052铝合金激光焊接接头组织和性能研究[J]. 热加工工艺， 2017， 46（1）： 236–237.
[13]SáNCHEZ-AMAYA J M， BOUKHA Z， AMAYAVáZQUEZ M R， et al. Analysis of the laser weldability under conduction regime of 2024， 5083， 6082 and 7075 aluminium alloys[J]. Materials Science Forum， 2012， 713： 7–12.
[14]乔建毅， 邵有发， 阮野， 等. 铝合金6082和5083MIG焊接头的微观组织和性能[J]. 材料导报B： 研究篇， 2016， 30（12）： 94–97.
[15]邢艳双， 张志强， 赵秦亿， 等. 6082-T6/6005A-T6异种铝合金MIG焊接头的组织与性能[J]. 轻合金加工技术， 2018， 46（7）： 58–64.