填充焊丝对6A02铝合金光纤激光焊接接头组织性能的影响

0 序 言

铝合金激光焊接时，不仅金属表面对激光具有极高的初始反射率，影响材料吸收激光能量，而且熔池液态金属的表面张力很小，当熔池体积较大时，很难维持液体表面张力和熔池金属重力的力平衡，从而导致焊接缺陷，如焊塌、凹陷、焊漏等.当焊接壁厚不大于1.0 mm的薄壁构件时，焊接熔池足够小是解决该问题的主要途径之一.相对固体激光(Yttrium aluminum garnet, YAG)，光纤激光具有更高的输出功率和更小的聚焦光斑[1]，即光纤激光的功率密度可以达到YAG激光的数倍.采用光纤激光可以获得体积足够小的焊接熔池，并能够有效维持小孔的相对稳定，故更加适用于薄壁铝合金或超薄壁铝合金的焊接.

目前关于CO2激光或YAG激光的焊接性和接头组织性能方面的研究较多[2-3]，而关于光纤激光焊接方面的研究相对较少.光纤激光高功率密度的特点为高速高质量焊接创造了条件，而在焊接过程中填充焊丝不仅能够保持激光焊接热输入低、焊接变形和残余应力小、焊接质量优良的优点，而且能够显著改善激光焊前对装配精度的要求[4]，提高焊接接头的力学性能等[4-6]，故进一步拓展了激光焊接的应用范围.因此，基于前期工艺优化结果，采用大功率光纤激光填丝焊接系统对6A02铝合金薄板进行了激光填丝焊接试验，对比研究了填充焊丝对光纤激光焊缝宏观形貌、微观组织和力学性能的影响规律，为航空铝合金的进一步推广应用提供数据参考.

1 试验方法

试验采用1.0 mm厚6A02-T6铝合金和直径φ 1.0 mm的铝硅合金焊丝ER4043，其化学成分见表1.6A02铝合金是Al-Mg-Si系可热处理强化铝合金，固溶时效热处理后，具有中等强度和较高的塑性，是热处理强化铝合金中耐腐蚀性较好的一种结构材料，常应用于加工塑性和耐腐蚀性要求高的飞机和发动机零件[7].板材尺寸为200 mm×100 mm，焊前用化学清洗方法彻底去除试板表面的油污和氧化膜.

试验以额定功率5 kW的YLS-5000型光纤激光器为核心的激光填丝焊接系统实现焊接.采用六轴联动机械手实现机械传动，推-拉式送丝装置实现焊丝与母材表面呈60°持续导入指定位置(预置光丝间距1 mm、光丝横向偏移量不大于±0.2 mm).激光通过光纤传输并聚焦于工件表面，聚焦镜焦距为160 mm，焦斑直径为φ0.28 mm.激光束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前送丝方式的激光填丝焊接.焊接过程中采用零离焦，通入两路氩气对焊接熔池和焊缝高温区进行全方位保护.

表1 6A02铝合金母材和焊丝的化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical compositions of 6A02 alloy and filler wire

材料 Mg Cu Ti Fe Si Mn Zn Al 6A02-T6 0.45～0.9 0.2～0.6 0.15 0.5 0.5～1.2 0.15～0.35 0.2 余量ER4043 ≤0.05 ≤0.3 ≤0.2 ≤0.8 4.5～6.0 ≤0.05 ≤0.1 余量

试验均采用对接拼焊方式.为客观地反映接头的拉伸力学性能，焊前严格控制装配间隙和错边量均不大于0.1 mm.综合考虑焊丝熔化需要增加热输入、送丝稳定性和自熔激光焊接的成形质量等因素，选取两组优化的焊接参数如表2所示.焊后从焊缝中截取制备横截面金相试样和标准横向拉伸试样.采用Olympus PMG3光学显微镜观察接头显微组织，用HXD-1000 TMC/LCD数字式显微硬度计测量接头的显微硬度分布，沿焊缝中心→熔合区→母材依次进行测试，间隔视具体情况酌情调整，测量载荷0.1 N，加载时间10 s.分别对焊态和固溶时效热处理后的接头拉伸力学性能进行了测试.

表2 6A02铝合金焊接工艺参数

Table 2 Welding parameters of 6A02 alloy

焊接方法 焊接速度v/(m·min-1)热输入E/(J·mm-1)自熔激光焊接 8.4 2 - 14.3激光填丝焊接 6 2 4 20激光功率P/kW送丝速度vf /(m·min-1)

2 填充焊丝对焊缝宏观形貌的影响

在激光焊接过程中，当激光束的功率密度高于106 W/cm2时，将会形成“小孔效应”深熔焊接.对于厚度为1.0 mm的薄壁母材，更易形成熔池贯穿母材壁厚的穿透焊接.光纤激光的功率密度至少不低于3×106 W/cm2，这不仅有利于小孔贯穿熔池，而且能够保持小孔相对稳定(处于常开状态).因此，无论是自熔激光焊接，还是激光填丝焊接，均能够获得成形良好的焊接接头，其横截面形貌如图1所示.

图1 6A02铝合金焊接接头横截面形貌

Fig.1 Cross-section of welded joints of 6A02 alloy

激光填丝焊接同自熔激光焊接一样，都是基于“小孔效应”原理，在激光束作用下，伴随着剧烈的金属蒸发、汽化现象.然而，填充焊丝不仅可以弥补焊接飞溅的损失量、使焊缝饱满(图1a)，而且焊丝中较高含量的Si元素能够增加液态金属的流动性，有利于熔池中气泡的逸出，从而获得更优质的焊接接头.同时，在薄壁构件焊接过程中，瞬间失稳变形[8-9]是导致对接拼焊产生瞬间错边量的主要原因.当瞬间错边量较大时，焊接有效厚度的急剧下降造成液体表面张力的降低.焊接熔池主要受液态金属的重力和液体表面张力的作用，当重力大于表面张力时，就会产生下塌现象，严重时出现焊漏缺陷.而填充焊丝过渡到熔池中的液态金属可以有效缓解焊接有效厚度的急剧变化，维持熔池金属的力平衡，极大地改善激光焊接对装配间隙的依赖.通过开展对接变间隙法试验，获得激光填丝焊接的最大间隙容忍裕度可以达到0.5 mm，远大于自熔激光焊接通常要求的0.1 mm.

3 填充焊丝对接头显微组织的影响

在高能量密度的光纤激光束作用下，焊接熔池中的液态金属处于过热状态，自发形核的可能性极小，异质形核是液态熔池结晶的主要机制.熔池边缘未熔化的母材晶粒表面和熔池中未熔化的悬浮质点等相界面，可以显著降低临界晶核形核功[10-11]，在成分过冷条件的驱动下，随激光热源的远离，快速结晶形成焊缝.

根据课堂教学目标自设情境模拟教学方法评价问卷，内容详（见表1）。教学结束后对学生进行问卷调查，共发放调查问卷270份，收回有效问卷258份，有效回收率95%。

在文中试验条件下，获得的激光填丝焊接接头显微组织如图2所示.可以发现，接头熔合区很窄，柱状晶组织依附于熔合线附近未熔化的母材晶粒表面，以联生结晶、外延长大[11]的方式，沿最大温度梯度方向(垂直于熔合线)向焊缝中心生长.由于焊接速度极快，伴随着熔池固液界面的温度梯度很大和晶粒生长平均线速度很快，故柱状晶组织非常细小(其宽度仅为母材晶粒宽度的1/4～1/2)且该类组织从熔合线贯穿至焊缝中心.柱状晶组织的快速生长，将大量溶质元素推向熔池中心，即从熔合线附近至焊缝中心的成分过冷逐渐增大.在焊缝中心局部区域，当成分过冷超过某一阈值时，柱状晶组织的生长被抑制，晶核依附于熔池中未熔化的悬浮质点相界面，快速长大形成等轴晶组织.因此，焊缝中心呈柱状晶和等轴晶的混合组织特征.焊缝组织经历快速熔凝过程后，呈现出亚共晶组织特征.

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图2 激光填丝焊接接头组织(6A02，δ=1.0 mm)

Fig.2 Microstructure of joint by laser welding with filler wire (6A02, δ=1.0 mm)

对比自熔激光焊接接头显微组织(图3)，发现激光填丝焊接接头各区域显微组织均相对粗化.这不仅与相对较高的热输入有关，而且也与焊丝中的合金元素密切相关.焊丝中高含量的Si元素不仅能够在一定程度上加剧固液相界面前沿的成分过冷，从而促使等轴晶的进一步长大，而且也能够与Al，Mg等元素形成大量低熔共晶组织.因此，激光填丝焊缝中心混合组织的等轴晶不仅相对粗大、所占比例相对较多，而且呈现为初晶α-Al和细小的共晶组织(α-Al+Si二元共晶、α-Al+Mg2Si二元共晶、α-Al+Mg2Si+Si三元共晶).晶界处弥散分布的大量低熔共晶组织，可能会对焊态时接头的力学性能带来一定的损失.

图3 自熔激光焊接接头组织(6A02，δ=1.0 mm)

Fig.3 Microstructure of joint by autogenous laser welding (6A02, δ=1.0 mm)

4 填充焊丝对接头显微硬度的影响

由于6A02铝合金属于典型的时效强化铝合金，激光填丝焊接后呈现一定的接头软化现象(图4)，焊缝区平均显微硬度达到母材水平的89%.这不仅与激光填丝焊接接头显微组织相对粗化有关，而且也与焊缝区存在较多的低熔共晶组织密切相关.同时还发现，焊接接头存在两个硬度最低区，分别位于焊缝中心和熔合线附近.焊缝中心为熔池最后凝固结晶的区域，该区混合组织晶界弥散分布着大量低熔共晶相，致使该区硬度起伏相对较明显，同时形成一个硬度低区.而靠近熔合线的母材部分，存在一个非常窄的过热区，该区部分低熔共晶析出并聚集在晶界处，从而也会产生一个硬度低区.无论对于自熔激光焊接，还是激光填丝焊接，其焊缝中心的硬度低区均相对不太明显.当测试拉伸性能时，焊接接头很可能从这两个硬度低区首先发生变形并产生最终断裂.

图4 焊接接头横截面的横向显微硬度分布

Fig.4 Microhardness distribution of welded joints in transverse direction

5 填充焊丝对接头拉伸性能的影响

文中分别对激光填丝焊接接头和自熔激光焊接接头的表面余高打平后，按国家标准GB/T2651-《焊接接头拉伸试验方法》制备成标准拉伸试样，并分别开展焊态和热处理态的拉伸性能测试，结果详见表3.热处理采用固溶时效工艺，先530 ℃固溶50 min，经水淬处理，最后165 ℃时效8 h.

对比焊态时接头的拉伸性能，发现是否填充焊丝对接头的抗拉强度和屈服强度影响不大，但对断后伸长率和断裂位置影响较大.对于激光填丝焊接接头，在拉伸外力作用下，硬度最低的焊缝中心区域最先发生屈服变形，但该区域晶粒形态差别较小，变形比较均匀，并伴随着一定程度的应变强化；而熔合区附近的晶粒形态差异较大，该区更易形成应力集中，起裂的机率更大.故接头均起裂于母材一侧表面的熔合区附近，呈45°向母材另一侧表面的熔合区附近扩展，如图5a所示.自熔激光焊接接头的熔合区附近硬度最低(图4)，且该区晶粒形态差异较大，故从熔合区附近起裂并产生断裂的机率较大，如图5b所示.

2.协整检验。为检验各个变量之间是否存在协整关系，接下来利用Johansen协整检验方法对相关变量进行协整关系检验。通过协整检验发现，人民币汇率预期（DNDF）、境内外利差（DLC）与经常账户跨境资金流入（DLIJC）、经常账户跨境资金流出（DLOJC）、金融账户跨境资金流入（DIJR）、金融账户跨境资金流出（DOJR）以及资本账户跨境资金流入（DLIZB）等五项跨境资金流动指标之间不存在协整关系，而在分析人民币汇率预期（DNDF）、境内外利差（DLC）与资本账户跨境资金流出（DLOZB）之间的协整关系时，得出它们之间存在至少一个协整关系，即存在长期均衡关系（如表2所示）。

表3 6A02铝合金焊接接头不同状态拉伸试验结果

Table 3 Tensile test of welded joints of 6A02 alloy in different states

断裂位置(焊态每组4件，热处理态每组3件)激光填丝焊接焊态 245.48 188.47 2.75 起裂于熔合区附近，断裂面与母材表面约呈45°自熔激光焊接焊态 243.19 192.82 2.46 1件断于焊缝中心，其余3件断于熔合区附近激光填丝焊接热处理态 372.50 332.55 21.29 全部断于熔合区附近，断裂面与母材表面近似垂直自熔激光焊接热处理态 407.54 376.18 8.13 全部断于熔合区附近，断裂面与母材表面近似垂直母材标准 ≥295 ≥225 ≥11 —试样状态 抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL /MPa断后伸长率A(%)

图5 焊态时接头拉伸断裂位置

Fig.5 Tensile fracture position of joints in welded state

由于6A02铝合金属于可热处理强化铝合金，通过焊后热处理工艺，可以实现接头中更多强化相的析出，从而获得综合力学性能良好的焊接接头.从表3中可以发现，热处理后激光填丝焊接接头的拉伸性能得到了很大的提高.与自熔激光焊接接头相比，激光填丝焊接接头的抗拉强度和屈服强度均略低，但断后伸长率很高，达到21.29%.

6 结 论

(1) 在光纤激光焊接过程中，填充焊丝有利于获得成形饱满的焊缝.同时，能够显著降低焊前装配精度要求，最大间隙容忍裕度可以达到0.5 mm.

新学期第一天终于来临了，我怀着憧憬也带着忐忑走进了教室，并特别留意了班上那对“冤家”——两个小姑娘，一个叫小刘，略胖些，见人就笑，笑起来甜甜的，看起来文质彬彬；一个叫小邹，略瘦些，长相清秀，性格似乎有些内向，不喜欢说话。

(2) 激光填丝焊接接头中细小的柱状晶组织从熔合线贯穿至焊缝中心，在焊缝中心呈现出柱状晶和等轴晶的混合组织特征.与自熔激光焊接接头组织相比，填充焊丝后焊缝区组织相对粗化，且焊缝中心等轴晶所占比例相对较多.

(3) 激光填丝焊接接头软化现象比自熔激光焊接接头更加明显，且存在焊缝中心和熔合线附近两个硬度最低区，而自熔激光焊接接头焊缝中心的硬度最低区并不明显.

再看庄昶，其诗特点在于善用邵雍《观物内外篇》之寓意，以物衬理，阐发己说。如《题沈石田画鹅为文元作》，诗云：“天机我不言，言之欲谁领。柳塘春水深，弄此白鹅影。”［3］卷二，2叶b

(4) 焊态时，是否填充焊丝对接头的抗拉强度和屈服强度影响不大，但对断后伸长率和断裂位置影响较大.经固溶时效热处理后，激光填丝焊接接头抗拉强度恢复至372.5 MPa，低于自熔激光焊接接头，但是，前者的断后伸长率显著高于后者.

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