材料工程  2017, Vol. 45 Issue (11): 90-95   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001071
0

文章信息

许飞, 陈俐, 何恩光, 郭路云
XU Fei, CHEN Li, HE En-guang, GUO Lu-yun
2024-T4铝合金光纤激光填丝焊缝成形与组织性能的相关性
Correlation of Weld Appearance with Microstructure and Mechanical Properties of 2024-T4 Aluminum Alloy Welded by Fiber Laser with Filler Wire
材料工程, 2017, 45(11): 90-95
Journal of Materials Engineering, 2017, 45(11): 90-95.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001071

文章历史

收稿日期: 2015-08-31
修订日期: 2017-07-26
2024-T4铝合金光纤激光填丝焊缝成形与组织性能的相关性
许飞 , 陈俐, 何恩光, 郭路云    
北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术重点实验室, 北京 100024
摘要: 2024-T4铝合金光纤激光填丝焊缝横截面分为钉头形和近X形2种典型形貌,对比分析了该2种形貌的焊缝成形与组织形态、显微硬度和接头拉伸性能的相关性。结果表明:近X形横截面的焊缝在焊接过程中更加平稳,焊接飞溅更少。焊缝区的组织特征为垂直于熔合线相对生长的柱状晶组织和焊缝中心的等轴晶组织。钉头形焊缝中心晶粒的二次枝晶较发达,逐渐形成等轴树枝晶,而近X形焊缝中心晶粒相对细小,呈现为等轴胞状晶。与钉头形横截面的接头相比,近X形横截面的接头焊缝区析出的强化相θ(Al2Cu)相对较多,平均显微硬度值略高,热影响区的软化现象逐渐减弱,接头强度和塑性略低。
关键词: 2024-T4铝合金    光纤激光    填丝焊    焊缝横截面    显微组织    拉伸性能   
Correlation of Weld Appearance with Microstructure and Mechanical Properties of 2024-T4 Aluminum Alloy Welded by 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
Abstract: 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.
Key words: 2024-T4 Al alloy    fiber laser    welding with filler wire    cross-section of weld    microstructure    tensile property   

随着大功率激光器的快速发展,激光深熔焊接技术已经逐渐应用于航空航天、汽车、船舶等领域。然而,激光焊接还存在一些问题,比如焊前装配精度要求严格[1]、焊接铝合金时由于小孔波动剧烈易造成焊缝成形不良[2]等。激光填丝焊不仅能保持激光焊热输入低、焊接变形小和高效自动化焊接等优点,而且可以显著降低对接焊时的装配精度[3],改善激光焊接接头的成形质量[4],防止裂纹产生,提高接头的力学性能[3, 5],因此更加适合于铝合金薄壁件的焊接。相对于YAG, CO2等其他类型激光,光纤激光具有更好的光束质量和激光亮度[6]。它的电光转换效率可高达25%~30%[7],泵浦源寿命高于50000h。目前采用CO2激光或YAG激光开展的激光填丝焊接性方面的研究较多,但是关于光纤激光填丝焊接方面的研究相对较少。因此,开展此方面的研究,对推动光纤激光焊接技术的发展具有积极意义。

激光深熔焊接分为非穿透焊和穿透焊,工程应用较多的是穿透焊。根据焊缝横截面形状几何特征,钛合金激光穿透焊的焊缝横截面常分为“钉头形”和“近X形”2种[8]。在本实验条件下,开展2024-T4铝合金薄板大功率光纤激光填丝焊接实验过程中,发现该铝合金焊缝横截面也呈现出上述2种典型形貌。因此,本工作对不同横截面形貌的焊缝成形与其接头组织性能的相关性进行了分析研究,为铝合金薄壁结构的焊接应用提供数据参考。

1 实验材料与方法

实验材料为2.5mm厚2024-T4铝合金板材和直径为1.0mm的ER4043焊丝。2024铝合金为Al-Cu-Mg系可热处理强化铝合金,具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性能[9]、较高的比强度和比刚度、良好的综合性能等,被广泛应用于航空航天、舰船等壳体结构件中。母材和焊丝的化学成分见表 1。板材尺寸为200mm×100mm,焊前用化学清洗去除试板表面的油污和氧化膜。实验采用5kW的YLS-5000型大功率光纤激光器、推-拉式送丝装置以及自制专用卡具来实现激光填丝焊接,采用一台六轴机械手来实现机械传动。激光通过光纤传输并反射后聚焦于工件表面,聚焦镜焦距为160mm,焦斑ϕ0.28mm。激光头的中轴线与焊接平面法线成10°,焊接过程中工作台静止,由机械手带动激光头和导丝嘴相对运动来实现激光填丝焊接。焊接过程中通入2路氩气对熔池和焊缝高温区进行全方位保护。

表 1 铝合金母材和焊丝的化学成分(质量分数%) Table 1 Chemical compositions of 2024-T4 aluminum alloy and filler wire (mass fraction/%)
Material Cu Si Fe Mn Zn Mg Ti Al
2024-T4 3.8-3.9 0.50 0.5 0.3-0.9 0.25 1.2-1.8 0.15 Bal
ER4043 ≤0.3 4.5-6.0 ≤0.8 ≤0.05 ≤0.1 ≤0.05 ≤0.2 Bal

焊接实验采用平板堆焊方式,焊后从焊接试板上分别取样,选取“钉头形”和“近X形”2种典型横截面的焊接接头(如图 1所示),其主要焊接参数如表 2所示。经处理后进行金相分析、X射线衍射分析及显微硬度测试,拉伸测试采用对接焊方式,依据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》制备标准拉伸试样(焊缝正反面余高均加工至与母材表面齐平),并按照该标准完成室温横向拉伸测试。

图 1 钉头形(a)和近X形(b)焊缝的横截面形貌 Fig. 1 Cross-section appearance of nail shape weld (a) and near X shape weld (b)
表 2 2024-T4铝合金光纤激光填丝焊接参数 Table 2 Parameters of fiber laser welding withfiller wire for 2024-T4 aluminum alloy
Cross-sectionof welded joint Weldingspeed/
(m·min-1)
Laserpower/
kW
Wire feedspeed/
(m·min-1)
Heat input/
(J·mm-1)
Nail shape 1.5 3 2.6 120
Near X shape 3.0 5 5.2 100
2 结果与分析 2.1 焊缝成形与焊接过程稳定性的相关性

高能量密度的激光束作用于母材形成熔池,在熔池中通过“小孔效应”实现深熔焊接,同时产生大量金属蒸气/等离子体,再加上铝合金在熔融状态时表面张力较小,液态熔池在小孔内金属蒸气/等离子体的反冲作用下,很容易产生飞溅。飞溅与焊接过程的稳定性和焊接质量关系密切[10]。当焊接飞溅较少时,焊接过程相对平稳。当焊接热输入较大时,金属气化作用更为显著,熔池体积相对较大,造成的焊接飞溅呈现相对增加趋势。

2024-T4铝合金光纤激光填丝焊接性较好,焊缝饱满、熔宽均匀一致性较好,焊缝表面无下塌、焊漏、驻丝、咬边等缺陷,仅在焊缝附近产生轻微的飞溅(如图 2所示);经X射线检测,焊缝内部无裂纹、标超气孔或夹杂。从图 2对比发现,采用低焊接速率和低激光功率时,获得的钉头形焊缝熔宽相对较宽,在焊接过程中产生相对较多的飞溅,且飞溅颗粒尺寸相对较大;而采用高焊接速率和大激光功率时,获得的近X形焊缝熔宽虽然相对较窄,但是焊接过程更加平稳,飞溅数量相对较少,飞溅颗粒尺寸相对较小。

图 2 钉头形(a)和近X形(b)焊缝宏观形貌 Fig. 2 Macrographs of nail shape weld (a) and near X shape weld (b)
2.2 焊缝成形与组织形态的相关性

分别选取2种典型焊缝的正表面和横截面制备金相试样,采用Olympus S231TR体式显微镜和Olympus PMG3光学显微镜观察接头近表层宏观组织和横截面微观组织。从图 3(a)(d)中发现,柱状晶组织从接头熔合线向焊缝中心相对生长,在焊缝中心形成等轴晶组织。经测量,钉头形焊缝近表层熔宽约2.2mm,等轴晶区横向所占比例约36.4%;近X形焊缝近表层熔宽约1.6mm,等轴晶区横向所占比例约30%。其主要原因是近X形焊缝采用大功率高速焊接,液态熔池的冷却速率相对更快,从焊接小孔至熔池边缘的温度梯度更大,柱状晶组织沿最大温度梯度方向的生长速率相对更快,导致柱状晶区范围更大。与钉头形焊缝相比,近X形焊缝区的柱状晶组织和等轴晶组织均呈现相对细化特征,这点从焊缝区微观组织中也可以看出。

图 3 光纤激光填丝焊接钉头形焊缝(a), (b), (c)和近X形焊缝(d), (e), (f)组织(a), (d)焊缝正面近表层; (b), (e)接头横截面熔合区; (c), (f)横截面焊缝中心 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

图 3(b)(e)中发现,半熔化区和热影响区都很窄,新相以熔合线附近局部熔化的晶粒为现成界面形核,沿近似垂直于熔合线方向(最大温度梯度方向)呈联生结晶、外延长大[11]的方式向焊缝中心生长,形成柱状晶组织。由于激光焊接过程伴随着小孔的剧烈波动和熔池流动,熔池在快速凝固过程中的最大温度梯度方向不断发生变化,导致柱状晶生长方向也发生相应变化而呈现出不完全一致的特征。柱状晶的生长将大量溶质元素推向熔池中心,致使熔池从熔合线附近至焊缝中心的成分过冷呈逐渐增加的趋势,当成分过冷达到某一阈值时,柱状晶组织的生长被抑制,晶核依附于液态熔池中未熔化的悬浮质点形核和长大,从而形成等轴晶组织,如图 3(c)(f)所示。由于光纤激光焊接能量密度高度集中、冷却速率非常快,因而熔池的凝固速率非常快,焊缝晶粒组织比母材细小得多。焊缝组织经历快速熔凝过程后,呈现出亚共晶组织特征,即为初晶α-Al和细小的共晶组织(α-Al+Si)。钉头形焊缝由于采用较高的焊接热输入,焊缝区柱状晶组织和等轴晶组织均相对粗化,等轴晶的二次枝晶相对发达,逐渐形成等轴树枝晶。大功率高速焊接条件下熔池的冷却速率更快,获得的近X形焊缝中心的等轴晶来不及长大,故呈现出等轴胞状晶形貌,且在晶界处弥散分布着大量低熔共晶组织,这些低熔共晶组织对接头的室温力学性能会产生一定影响。

2种典型焊缝的X射线衍射结果如图 4所示。与母材相比,焊缝中有θ(Al2Cu)相生成。由于光纤激光高能量密度的热作用,θ相在快速凝固过程中,从过饱和固溶体中产生。当凝固速率较快时,θ相的析出就会更明显。因此,相对钉头形焊缝,近X形焊缝θ相的数量更多。另外一些强化相,如S(Al2CuMg)相等,也可能在焊缝中产生。由于2024铝合金属于可热处理强化铝合金,若对焊缝进行焊后热处理,这些相可能都会呈现出来。

图 4 2024-T4铝合金焊缝区X射线衍射分析图谱 Fig. 4 XRD spectra of weld zone in 2024-T4 aluminum alloy
2.3 焊缝成形与显微硬度的相关性

焊接接头横截面的横向显微硬度分布如图 5所示,可以发现焊接接头普遍存在焊缝区软化现象,即焊缝区硬度低于母材。当采用低速低功率焊接(较高焊接热输入)时,所获得的钉头形焊缝除焊缝中心存在硬度最低点外,在热影响区附近还存在一个明显的硬度低点。而采用高速高功率焊接(较低焊接热输入)时,所获得的近X形焊缝仅在焊缝中心硬度较低,而在热影响区附近的硬度低点并不明显,表明热影响区的软化现象相对减弱[12]。同时,近X形焊缝区的硬度起伏相对较小。经计算,钉头形焊缝区平均显微硬度为92.35HV0.2,近X形焊缝区平均显微硬度为97.82HV0.2,分别达到母材硬度的73.13%和77.47%。因此,与钉头形焊缝相比,近X形焊缝区的平均显微硬度值略高,这也正好与近X形焊缝区显微组织相对细小相吻合。

图 5 焊接接头横向显微硬度分布 Fig. 5 Microhardness distributions of welded joints intransverse direction
2.4 焊缝成形与拉伸性能的相关性

不同焊缝形貌的焊接接头的拉伸测试结果如表 3所示。可以发现,光纤激光填丝焊接接头的平均抗拉强度为354.80MPa,达到母材水平的84.88%。而TIG或MIG焊接接头的抗拉强度仅约为母材的60%[13],故与传统熔焊方法相比,光纤激光填丝焊接铝合金的力学性能有了显著的提高。从显微硬度角度考虑,焊缝区硬度低于母材,相当于在焊接接头中形成一个“软夹层”。当外加载荷时,拉伸试样的屈服变形首先产生在硬度较低而塑性较好的焊缝区,并最终在该区发生断裂。从断裂位置看,无论是钉头形焊缝还是近X形焊缝,3个拉伸试样中均有1件断裂于焊缝中心,另2件起裂于焊缝中心,呈近似45°方向扩展,并最终断裂于熔合线附近。从微观组织分析发现,焊缝区有2个硬度低点,即焊缝中心和熔合线附近。焊缝中心硬度最低,且显微组织为等轴晶组织,该区在拉伸外力作用下首先产生塑性变形,随拉伸外力的持续增加,该区产生缩颈的概率较大,往往成为裂纹萌生的起源。而熔合线附近的晶粒形态差异较大,且该区范围较窄,在外力作用下的塑性变形极不均匀,当裂纹萌生后,该区有利于引导裂纹的扩展。然而,激光填丝焊接接头的断后伸长率较低,仅达到母材水平的12.93%。因此,若使焊接接头的综合力学性能满足更高要求,还可以通过焊后热处理制度来实现[14, 15]

表 3 2024-T4铝合金光纤激光填丝焊接接头的拉伸性能 Table 3 Tensile properties of welded joints by fiber laser welding with filler wire for 2024-T4 aluminum alloy
Cross-section ofwelded joint Ultimate tensilestrength/MPa Yield strength/MPa Elongation afterfracture/% Fracture position(three tensile samples)
Nail shape 362.01 248.87 2.33 Weld zone
Near X shape 347.58 242.37 1.55 Weld zone
Base metal 418.00 268.00 15.00 -

对比不同焊缝形貌的接头性能,发现钉头形焊缝截面的接头抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均略高于近X形的焊缝截面。这与焊缝组织形态密切相关,也与焊缝熔宽和接头横截面的熔化面积密切相关。经测量,典型钉头形焊缝的正面和背面熔宽分别为4.21mm和2.63mm,而近X形焊缝的正面和背面熔宽分别为3.26mm和2.53mm。钉头形焊缝的熔宽相对较宽且接头横截面的熔化面积相对较大,故焊缝区受拉伸外力作用,在断裂前吸收更多的能量,形变量相对较大。

光纤激光填丝焊接接头拉伸断口如图 6所示。从局部放大的断口照片中可以明显地发现断口呈现穿晶断裂特征,这与拉伸过程中裂纹萌生后并快速扩展有直接的关系。拉伸断口呈现出韧窝形貌,韧窝尺寸较小,深度较浅,尺寸比较均匀。

图 6 拉伸断口宏观(a)和微观(b)形貌 Fig. 6 Macrograhy (a) and micrography (b) of tensile fracture
3 结论

(1) 在本实验条件下,2024-T4铝合金光纤激光填丝焊接接头质量良好。钉头形焊缝熔宽相对较宽;近X形焊缝熔宽相对较窄,且在焊接过程中产生相对较少的飞溅。

(2) 柱状晶从接头熔合线向焊缝中心相对生长,在焊缝中心形成等轴晶组织。等轴晶形态与焊缝横截面形状密切相关,钉头形焊缝中心为等轴树枝晶组织,而近X形焊缝中心为等轴胞状晶组织,且等轴晶区在接头横截面上所占比例相对较少。

(3) 与钉头形焊缝相比,近X形焊缝区析出的强化相θ(Al2Cu)相对较多,平均显微硬度值略有增加。

(4) 焊缝横截面形状对焊接接头的室温拉伸性能影响较小。焊接接头具有较好的拉伸性能,平均抗拉强度为354.80MPa,达到母材水平的84.88%,拉伸断裂均发生在焊缝区,断口为韧性断裂。

参考文献(References)
[1] SUN Z, KUO M. Bridging the joint gap with wire feed laser welding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 87 (1/3): 213–222.
[2] 郑启光, 辜建辉, 王涛, 等. 激光深熔焊接的熔池行为与焊接缺陷的研究[J]. 激光技术, 2000, 24 (2): 90–94.
ZHENG Q G, GU J H, WANG T, et al. Investigation on melting pool behavior and defects of laser welding[J]. Laser Technology, 2000, 24 (2): 90–94.
[3] 左铁钏, 肖荣诗, 陈铠, 等. 高强铝合金的激光加工[M]. 北京: 国防工业出版社, 2002.
ZUO T C, XIAO R S, CHEN K, et al. Laser materials processing of high strength aluminum alloys[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2002.
[4] 许飞, 杨璟, 陈俐, 等. 焊接参数对铝合金激光填丝焊缝成形的影响[J]. 材料工程, 2010 (9): 45–48.
XU F, YANG J, CHEN L, et al. Effects of welding parameters on laser welding of aluminum alloys with filler wire[J]. Journal of Materials Engineering, 2010 (9): 45–48.
[5] FABREGUE D, DESCHAMPS A, SUERY M. Microstructure of butt laser joints of aluminium alloy 6056 sheets with an AS12 filler[J]. Materials Science and Technology, 2005, 21 (11): 1329–1336. DOI: 10.1179/174328405X58896
[6] 陈俐, 巩水利. 铝合金激光焊接技术的应用与发展[J]. 航空制造技术, 2011 (11): 46–49.
CHEN L, GONG S L. Application and development of laser welding technology for aluminum alloy[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011 (11): 46–49. DOI: 10.3969/j.issn.1671-833X.2011.11.006
[7] QUINTINO L, COSTA A, MIRANDA R, et al. Welding with high power fiber lasers-a preliminary study[J]. Materials & Design, 2007, 28 (4): 1231–1237.
[8] 姚伟, 巩水利, 陈俐. 钛合金激光穿透焊的焊缝成形(Ⅰ)[J]. 焊接学报, 2004, 25 (4): 119–122.
YAO W, GONG S L, CHEN L. Research on weld shaping for laser fully penetration welding titanium alloy (Ⅰ)[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2004, 25 (4): 119–122.
[9] 中国航空材料手册编辑委员会. 中国航空材料手册第3卷:铝合金镁合金[M]. 2版. 北京: 中国标准出版社, 2002: 149-150.
[10] 高向东, 龙观富, 汪润林, 等. 大功率盘形激光焊飞溅特征分析[J]. 物理学报, 2012, 61 (9): 098103.
GAO X D, LONG G F, WANG R L, et al. Analysis of characteristics of spatters during high-power disk laser welding[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61 (9): 098103.
[11] 陈伯蠡. 焊接冶金原理[M]. 北京: 清华大学出版社, 1991.
CHEN B L. Principles of welding metallurgy[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1991.
[12] 许飞, 杨璟, 巩水利, 等. 热输入对铝合金光纤激光穿透焊缝成形的影响[J]. 中国激光, 2014, 41 (12): 1203001.
XU F, YANG J, GONG S L, et al. Effect of heat input on weld appearance for fiber laser beam full penetration welding aluminum alloy[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41 (12): 1203001.
[13] 周振丰. 焊接冶金学(金属焊接性)[M]. 北京: 机械工业出版社, 1995.
ZHOU Z F. Welding metallurgy (metallic weldability)[M]. Beijing: China Machine Press, 1995.
[14] 陈康华, 刘允中, 刘红卫. 7075和2024铝合金的固溶组织与力学性能[J]. 中国有色金属学报, 2000, 10 (6): 819–822.
CHEN K H, LIU Y Z, LIU H W. Microstructure and mechanical properties of enhanced solution treated 7075 and 2024 aluminum alloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2000, 10 (6): 819–822.
[15] 王祝堂. 2024型铝合金的热处理[J]. 金属世界, 2009 (2): 43–48.
WANG Z T. Heat treatment for 2024 aluminum alloy[J]. Metal World, 2009 (2): 43–48.