2021, Vol. 42
6005A铝合金与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%。
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表 1 母材和焊丝化学成分 Tab. 1 Chemical compositions of base metals and filler wire |
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。
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图 1 焊接过程示意图 Fig. 1 Schematic diagram of welding process |
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表 2 焊接工艺参数 Tab. 2 Welding process parameters |
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]。
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表 3 拉伸试验结果 Tab. 3 Tensile test results |
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图 2 焊接接头拉伸断裂试样 Fig. 2 Tensile fracture specimen of the welded joint |
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图 3 焊接接头拉伸断口形貌 Fig. 3 Tensile fracture morphology of the welded joint |
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。
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表 4 弯曲试验结果 Tab. 4 Bending test results |
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图 4 焊接接头弯曲试样 Fig. 4 Bending specimens of the welded joint |
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。
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图 5 激光填丝焊焊缝的截面形貌 Fig. 5 Cross-sectional morphology of the laser wire filler welding |
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图 6 激光填丝焊接接头显微组织 Fig. 6 Microstructures of the laser welded joints with filler wire |
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。
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图 7 MIG焊焊缝的截面形貌 Fig. 7 Cross-sectional morphology of the MIG welding seam |
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图 8 MIG焊接接头显微组织 Fig. 8 Microstructure of the MIG welded joint |
（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。
| [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. DOI:10.3969/j.issn.1671-6795.2020.01.006 |
| [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. DOI:10.3969/j.issn.1001-1382.2008.08.008 |
| [5] |
SÁNCHEZ-AMAYA J M, BOUKHA Z, AMAYA-VÁZQUEZ M R, et al. Weldability of aluminum alloys with high-power diode laser[J]. Welding Journal, 2012, 91(5): 155-161. |
| [6] |
许飞, 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. DOI:10.3969/j.issn.1000-372X.2009.02.001 |
| [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. DOI:10.3321/j.issn:1004-0609.2009.12.007 |
| [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, AMAYA-VÁZQUEZ 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. DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.713.7 |
| [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. |