摘要：為研究異種板厚、異種母材鋁合金激光焊接頭性能，以厚度為1.5 mm 的5182-O 及厚度為3 mm的 6061-T6 異種鋁合金激光填絲焊為研究對(duì)象，分析焊后試樣接頭硬度、金相及拉伸性能，并對(duì)斷口進(jìn)行SEM分析。結(jié)果表明：厚度不同的異種金屬焊接時(shí)，將激光光斑偏向厚板可獲得良好接頭；5182、6061 鋁合金母材中的晶粒均為纖維狀，焊縫區(qū)為等軸晶，晶粒方向不一，晶粒組織細(xì)小；5182 熔合線位置硬度最低，最低值為57.9 HV0.1，試驗(yàn)力為0.98 N；接頭平均抗拉強(qiáng)度為252.8 MPa，斷口處韌窩數(shù)量較多且深，分布較均勻，斷裂方式為韌性斷裂。
關(guān)鍵詞：異種合金 5182/6061鋁合金 激光填絲焊 性能研究
1 前言
汽車輕量化是公路交通領(lǐng)域低碳發(fā)展的有效途徑[1]。由于合金成分組織性能差異，焊接過程出現(xiàn)的氣孔、偏析、接頭軟化和裂紋等將嚴(yán)重影響焊接接頭質(zhì)量[2]。異種鋁合金的應(yīng)用帶來了異種鋁合金焊接問題，如蔚來ES8 高鋁化車身內(nèi)板采用5xxx 系鋁合金，外板及框架采用6xxx 系鋁合金[3]。
在汽車零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為獲得零部件的高質(zhì)量接頭并高效連接，異種牌號(hào)鋁合金焊接技術(shù)是必不可少的研究?jī)?nèi)容，對(duì)接頭質(zhì)量的要求極為嚴(yán)格，在提升輕量化水平的同時(shí)，需保證安全性能。目前，對(duì)5182/6061 異種鋁合金的激光焊接研究較少[4-7]。本文針對(duì)異種合金激光焊接技術(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)研究。
2 試驗(yàn)材料、設(shè)備及試驗(yàn)方法
2.1 試驗(yàn)材料
本次試驗(yàn)?zāi)覆倪x用厚度為1.5 mm 的5182-O和厚度為3 mm 的6061-T6 鋁合金板材，5182-O母材尺寸為150 mm×300 mm×1.5 mm，6061-T6 母材尺寸為150 mm×300 mm×3 mm，填充焊絲采用?1.2 mm 的ER5356 焊絲，母材化學(xué)成分和性能分別如表1 和表2 所示。
表1 5182-O/6061-T6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %
表2 5182-O/6061-T6鋁合金力學(xué)性能
2.2 焊接設(shè)備
本試驗(yàn)激光焊接試驗(yàn)采用德國(guó)通快公司的Trudisk 8002 碟片式激光器、雙焦點(diǎn)激光頭、庫卡機(jī)器人和工裝平臺(tái)等，激光器最大輸出功率為8 000 W，波長(zhǎng)為1 030～1 080 nm，焦點(diǎn)光斑直徑為0.42 mm，焦距為310 mm，焊接保護(hù)氣體采用99.99%純度的Ar。
2.3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)前需對(duì)5182/6061 鋁合金待焊區(qū)表面進(jìn)行處理，采用碗刷對(duì)待焊處30 mm 范圍進(jìn)行打磨，去除母材表面Al2O3氧化膜和油污，清理完成后采用99.99%純度乙醇擦拭，乙醇揮發(fā)后在4 h 內(nèi)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，避免母材長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中再次形成氧化膜。
本試驗(yàn)采用激光填絲焊，接頭形式為對(duì)接接頭，組對(duì)時(shí)要求無間隙。由于母材為異種板厚，因此，在程序軌跡示教時(shí)，要合理分配激光能量配比，將能量向厚板側(cè)傾斜，避免能量分布不均導(dǎo)致薄板處出現(xiàn)焊漏、塌陷、咬邊等，由于鋁合金為高反合金材料，因此，在激光焊接時(shí)激光頭應(yīng)與待焊試件表面呈6°～10°的夾角，將大部分能量反射至安全區(qū)域，避免反射的激光能量損壞激光頭。具體焊接試驗(yàn)參數(shù)如表3所示，焊接示意如圖1所示。
圖1 激光焊接示意
表3 試驗(yàn)參數(shù)
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 表面成型及宏觀形貌
激光焊接時(shí)，將激光光斑偏向厚板側(cè)2/3，偏向薄板側(cè)1/3，以避免由于激光能量分布不均導(dǎo)致的薄板塌陷，激光填絲焊后表面成型及端部截面、金相全拼（10×）如圖2 所示。由圖2a、圖2b 可知，激光焊焊縫較窄，表面成型較好，魚鱗紋明顯且無飛濺，無咬邊裂紋等，焊縫表面無下榻，具有1.0～1.5 mm 的余高，焊縫呈現(xiàn)V 型，成型良好，焊縫熔寬約為4～5 mm，熔深為1.5 mm。圖2c、圖2d 分別為焊縫截面及焊縫斷面（10×），其內(nèi)部有少量氣孔，單個(gè)氣孔尺寸小于0.3t（板厚），符合GB/T 22085.2—2008《電子束及激光焊接接頭缺欠質(zhì)量分級(jí)指南》，對(duì)接頭質(zhì)量影響較小。
圖2 表面形貌及截面全拼
產(chǎn)生氣孔的原因較多，由于鋁合金化學(xué)活潑性強(qiáng)，若母材長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，會(huì)在表面形成致密氧化鋁薄膜，在大氣中吸附水分，在焊接過程中，水分發(fā)生分解，產(chǎn)生的氫原子會(huì)溶入熔池并最終逸出，H 在鋁合金固相中的溶解度遠(yuǎn)低于其在液相中的溶解度，且激光焊快速熔化快速冷卻，焊縫凝固過程中，氫聚集形成氫氣泡且來不及逸出，導(dǎo)致焊縫內(nèi)易生成氫氣孔[8]。
3.2 高倍組織分析
3.2.1 制樣采用立式鋸床將待試板加工為40 mm×15 mm的接頭試樣。
3.2.2 研磨
a. 粗拋：先采用粗砂紙（100#）對(duì)切割面進(jìn)行打磨，去除切割不平、劃痕等。
b. 細(xì)拋：依次采用細(xì)砂紙（240#～2 000#）打磨同一端面，直到試樣端面無任何劃痕。
c. 拋光：接頭端部通過拋光機(jī)，采用拋光布并不斷加入金剛石拋光膏，直至接頭端部無劃痕，達(dá)到鏡面效果。
3.2.3 腐蝕腐蝕藥品采用kaller 試劑，采用棉球蘸取腐蝕劑均勻擦拭端面，經(jīng)腐蝕后進(jìn)行高倍組織分析，試驗(yàn)設(shè)備采用蔡司M2m 光學(xué)顯微鏡觀察接頭焊縫區(qū)、5182 側(cè)熔合線、6061 側(cè)熔合線組織，金相結(jié)果如圖3 所示。
圖3 高倍組織
圖3a 為5182 側(cè)熔合線處金相組織，熔合線焊縫側(cè)晶粒組織方向性明顯，沿垂直于熔合線方向生長(zhǎng)，在5182HZA 區(qū)晶粒組織有所長(zhǎng)大，在5182 合金中，Mg 主要以固溶狀態(tài)和析出相β 相形式存在[9]，基體組織為α-Al，無第二相存在。圖3b 為焊縫區(qū)金相組織，焊縫區(qū)組織為細(xì)小的樹枝晶與等軸晶[10-11]。晶粒方向不一，晶粒組織細(xì)小，這主要是由于激光焊能量密度高、焊接速度快，焊縫區(qū)金屬快速熔化快速凝固，焊縫區(qū)晶粒組織來不及長(zhǎng)大。圖3c 為6061 側(cè)熔合線組織，在靠近熔合線一側(cè)出現(xiàn)明顯細(xì)小的等軸晶，在靠近焊縫處，同樣出現(xiàn)了方向性較強(qiáng)、垂直于熔合線的柱狀晶，說明接頭處晶粒組織是沿激光焊焊后散熱較快方向的反方向生長(zhǎng)，在焊接熱作用的影響下，HAZ 區(qū)處晶粒組織有所長(zhǎng)大，向焊縫內(nèi)部延伸，在熔合線附近部分區(qū)域出現(xiàn)Mg2Si 強(qiáng)化相聚集，分布不均勻，提高了接頭強(qiáng)度。
3.3 顯微硬度分析
接頭硬度試驗(yàn)按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》執(zhí)行，以焊縫中心為原點(diǎn)向兩側(cè)分別進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。硬度最低值出現(xiàn)在5182 側(cè)，受激光焊熱作用影響，在5182近縫區(qū)硬度值較低，最低硬度為57.9 HV0.1，但在HAZ 區(qū)處并未出現(xiàn)明顯的軟化區(qū)，這是因?yàn)?182鋁合金為不可熱處理的強(qiáng)化鋁合金。6061 側(cè)硬度最低值出現(xiàn)在HAZ 區(qū)，且焊縫位置硬度高于HAZ，說明在HAZ 區(qū)出現(xiàn)了明顯的軟化區(qū)，該區(qū)域晶粒組織粗大，抗壓能力較差，力學(xué)性能低。
圖4 顯微硬度曲線
3.4 焊接接頭力學(xué)性能分析
選用島津AG-X 100KNH 型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橫向室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣規(guī)格為180 mm×30 mm 的非標(biāo)尺寸，由于2 種母材為異厚度焊接，拉伸試驗(yàn)結(jié)果僅給出最大拉伸力，最大抗拉強(qiáng)度為最大拉力（N）與斷面橫截面積（mm2）的比值，焊接試驗(yàn)件力學(xué)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。
表4 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
當(dāng)光斑的2/3 在厚板6061 側(cè)時(shí)，接頭平均抗拉強(qiáng)度為252.8 MPa，斷裂位置在薄板熔合線位置，與硬度檢測(cè)結(jié)果中最低硬度值出現(xiàn)在5182 側(cè)相符，5182 為厚度為1.5 mm 的薄板，拉伸強(qiáng)度明顯低于厚度為3 mm 的6061-T6，且異種合金在焊接過程中，接頭處合金元素重新分布，激光焊作用到母材表面時(shí)，母材迅速熔化，Mg 元素發(fā)生劇烈汽化，稀釋了形成第二相的元素，降低了強(qiáng)化效果。對(duì)拉伸斷口進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖5 所示，韌窩數(shù)量較多且深，分布較均勻，斷口表面存在滑移分離，呈現(xiàn)出蛇形滑動(dòng)特征，撕裂楞上分布有細(xì)小的韌窩，為韌性斷裂[12-13]。
圖5 拉伸斷口SEM
4 結(jié)論
a. 采用激光填絲焊對(duì)5182/6061 異種合金進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫表面成型良好，無表面缺陷。
b. 6005A、5182 鋁合金母材中的晶粒都為纖維狀，焊縫區(qū)為明顯等軸晶，組織從上到下由樹枝晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶，越靠近圓弧形邊界，晶粒越粗大。
c. 硬度最小值出現(xiàn)在5182 側(cè)熔合線區(qū)域，最低硬度為57.9 HV0.1；6061 側(cè)硬度最小值出現(xiàn)在HAZ 區(qū)，說明6xxx 系合金HAZ 區(qū)存在明顯的軟化區(qū)。
d. 接頭平均抗拉強(qiáng)度為252.8 MPa，斷裂位置在5182 側(cè)，斷口SEM 結(jié)果顯示韌窩數(shù)量較多且深，分布較均勻，斷裂方式為韌性斷裂。
來源：期刊《汽車工藝與材料》作者：金鑫 祝哮 王東輝 唐鴻洋 周金旭 葉樹茂（遼陽象嶼鋁業(yè)有限公司，遼陽 111003）
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