ZL114A鋁合金激光－電弧復合焊接頭枝晶尺寸與熔寬的關系

陳國珠，夏 風，胡永剛，肖建中

（華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢430074）

ZL114A鋁合金激光－電弧復合焊接頭枝晶尺寸與熔寬的關系

陳國珠，夏 風，胡永剛，肖建中

（華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢430074）

采用激光－電弧復合焊方法對厚度為8mm的ZL114A鋁合金板進行焊接實驗，焊后對接頭顯微組織尺寸與分布進行了分析。結果表明，在不同工藝參數(shù)得到的各焊接接頭中，樹枝晶尺寸與熔凝區(qū)寬度具有一定的相關性，熔凝區(qū)寬度一定枝晶尺寸一定，且樹枝晶尺寸沿板厚方向從焊縫上部到根部逐漸變小，呈近似線性變化。

ZL114A；復合焊；顯微組織；樹枝晶；組織梯度

ZL114A鑄造鋁合金是成分、性能和ZL101A優(yōu)質(zhì)合金［1］相近似的 Al－Si－Mg系三元合金，由于比重較輕，其焊接件近年來廣泛應用在航空航天、軍事工業(yè)以及民用工業(yè)等領域［2－4］。W.Steen在20世紀70年代末提出了激光－電弧復合熱源焊接（復合焊）［5］，復合焊接工藝綜合了激光焊與電弧焊的優(yōu)點，能夠更有效的焊接鋁合金厚板［6，7］。隨著焊接工程技術的進步和提高，鋁合金厚板在國防應用中也越來越重要和普遍［8］。

目前，國內(nèi)外研究者已對鋁合金的各類焊接接頭做了較多的研究，觀察到焊縫顯微組織主要為α－Al樹枝晶以及（Al－Si）共晶，測試了顯微硬度的分布以及接頭力學性能等［9－12］，徐韋鋒等［13］發(fā)現(xiàn)在焊縫厚度方向組織分布的不均勻，導致接頭在沿板厚方向上力學性能存在差異。從冶金學的角度來講，顯微組織的尺寸、分布及組成等方面決定了材料的力學性能，因此，焊縫中金屬的凝固行為必然會對接頭的力學性能產(chǎn)生影響。另外，隨著焊接板的厚度增加，焊縫中將存在溫度梯度，特別是當焊縫熔凝區(qū)形狀變化時，焊縫中的顯微組織將產(chǎn)生明顯的不均勻性。隨著焊接厚度的增加，組織分布更加不均勻，力學性能在沿板厚方向上差異會更大，因此，探索焊縫形狀與其顯微組織的分布規(guī)律，對進一步研究焊縫形狀、顯微組織與接頭力學性能的關系具有重要的理論意義。

本工作以8mm厚的ZL114A鋁合金板Laser－MIG復合焊接頭為對象，對不同復合焊接工藝參數(shù)條件下焊接接頭中顯微組織進行研究與分析，對焊縫沿厚度方向上枝晶尺寸與熔寬的關系做了相關的探討。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

母材為8mm厚的鑄態(tài)ZL114A板，焊前經(jīng)過丙酮去油污、化學清洗、烘干等處理，焊絲為直徑1.2mm的4047焊絲。母材及焊絲的化學成分見表1。

表1 ZL114A鋁合金及4047焊絲化學成分（質(zhì)量分數(shù)／%）Table 1 Component of ZL114Aaluminum alloy and welding wire（mass fraction／%）

1.2 實驗方法

實驗采用IPG4000光纖激光器與TPS4000福尼斯焊機進行復合焊接實驗，實驗過程在不改變電弧電壓的條件下，采用140A的聚焦電流，改變激光功率和焊接速度等參數(shù)，期望獲得不同的焊縫形狀，使其具有不同的熔凝區(qū)寬度，實驗所采用的工藝參數(shù)見表2。采用OLYMPUS－MG3光學顯微鏡以及飛利浦FEI掃描電子顯微鏡分別對不同形狀焊接接頭的顯微組織進行觀察與分析。用Adobe Photoshop CS3軟件測量接頭截面焊縫區(qū)的寬度，并在每一焊縫寬度位置采集10個以上的視場，用DM－3000金相檢驗軟件系統(tǒng)測量同一焊縫寬度視場內(nèi)所有α－Al樹枝晶主干的尺寸，將其平均值記為樹枝晶的長度（Length of the dendrite）。

表2 Laser－MIG復合焊工藝參數(shù)Table 2 The weld parameters of Laser－MIG hybrid welding

2 實驗結果與討論

2.1 焊接接頭典型顯微組織

圖1為復合焊典型的接頭形貌，焊縫呈以中心線為對稱的字母Y形，熔凝區(qū)上部較寬而下部逐漸變窄，到根部寬度變化不明顯。實驗結果表明，當焊接工藝參數(shù)選擇合適、保護到位時，8mm厚的ZL114A鋁合金板可一次焊透成形，而且焊縫飽滿較美觀，焊后板材幾乎無變形。圖2為接頭橫截面部分區(qū)域腐蝕后的金相照片，復合焊焊接接頭可以大致分為三個區(qū)域：熔凝區(qū)（FZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（base metal）。

圖1 典型接頭形貌Fig.1 The typical shapes of weld seam by Laser－MIG hybrid welding

圖2 復合焊接頭典型顯微組織Fig.2 Microstructure of the joint by Laser－MIG hybrid welding

從圖2中可見，焊縫中主要是由白色的α－Al樹枝晶以及分布在其間的黑色（Al－Si）共晶組成，熔合線附近的晶粒是從母材外延生長而來，α－Al樹枝晶由母材到熔凝區(qū)依次變得細??；在Laser－MIG復合焊中，熔池中金屬的冷卻速率極快，屬于典型的激冷結晶組織，故熔凝區(qū)的組織較細小。熱影響區(qū)中的α－Al樹枝晶較熔凝區(qū)要粗大得多；受熔池熱的影響，共晶相先熔化，α－Al受熱后部分熔化，液態(tài)金屬在快速凝固時發(fā)生共晶反應，使得熱影響區(qū)中共晶相的含量較母材與熔凝區(qū)要高。母材中平衡態(tài)的Si相［14］以分散的粒狀或片狀存在，如圖3（a）所示，先結晶的α－Al與共晶相中的α－Al生長在一起，Si相分布于α－Al樹枝晶之間，長度方向的尺寸從幾微米到幾十微米不等；熱影響區(qū)中Si相部分熔化，在共晶成分點發(fā)生共晶反應，生成（Al＋Si）共晶體，尺寸變小，未熔化的保持原有的形狀。圖3（b）為熔凝區(qū)中共晶相的SEM照片，α－Al容易腐蝕，故照片中為共晶中的Si相，其形態(tài)為樹枝狀，這是由于快速冷卻使共晶組織以樹枝狀形式生長的結果，主干尺寸細化到幾微米之間。

圖3 復合焊焊接接頭SEM形貌照片（a）母材與熱影響區(qū)顯微組織；（b）熔凝區(qū)內(nèi)共晶Si相Fig.3 SEM photographs of joint by Laser－MIG hybrid welding（a）microstructure of base metal and HAZ；（b）silicon phase in eutectic located in fusion zone

2.2 樹枝晶尺寸與熔寬的關系

圖4分別為三種不同焊接工藝參數(shù)下，焊接接頭上部、中部以及根部典型的顯微組織及高倍率金相照片。可見，沿板厚方向上不同熔凝區(qū)寬度部位顯微組織有兩個特征：一是熔凝區(qū)的顯微組織均為α－Al樹枝晶以及分布在其間的（Al－Si）共晶，且α－Al樹枝晶主干的尺寸從焊縫上部到根部逐漸變得短??；二是熔凝區(qū)內(nèi)的α－Al樹枝晶的取向從上部到根部逐漸變得不明顯。因為隨著熔凝區(qū)寬度從上部到根部變窄，冷卻速度加快，α－Al樹枝晶朝著散熱最快的方向，在焊縫較寬的部位由于過冷度相對較小，其樹枝晶得到充分生長，其長度幾乎可達毫米級；而焊縫根部冷卻速度較快，過冷度較大，凝固過程中樹枝晶主干方向發(fā)生重熔，樹枝晶變短，在液態(tài)熔池的攪動下，熔斷的枝晶發(fā)生轉(zhuǎn)動而取向偏轉(zhuǎn)，形成有別于熔凝區(qū)上部的多向枝晶狀態(tài)。

圖5為不同工藝參數(shù)焊接條件下，用定量金相的方法測量出的焊縫熔凝區(qū)樹枝晶尺寸與熔凝區(qū)寬度的關系曲線?？梢钥闯?，不同焊接工藝參數(shù)條件下得到的焊縫形狀不同，即不同焊縫中相同部分熔凝區(qū)寬度不同；且同一焊縫中不同部位的熔凝區(qū)寬度也不同，但是在熔凝區(qū)寬度相同部位的樹枝晶的尺寸卻基本相同，這說明熔凝區(qū)寬度相同區(qū)域的冷卻速度基本相同，使得該區(qū)域的凝固組織基本相同。由于焊縫熔凝區(qū)呈Y型，即熔凝區(qū)從上到下寬度逐漸變窄，因此熔凝區(qū)中的樹枝晶尺寸由上至下逐漸變短，呈近似線性變化，顯微組織梯度分布。

3 結論

（1）ZL114A合金Laser－MIG復合焊接熔凝區(qū)的顯微組織均為α－Al樹枝晶以及分布在其間的（Al－Si）共晶，且共晶的Si相也呈現(xiàn)樹枝晶形態(tài)。

（2）在ZL114A合金Laser－MIG復合焊焊縫中，熔凝區(qū)α－Al樹枝晶隨著熔凝區(qū)寬度從上部到根部變窄，由于樹枝晶主干重熔，其長度尺寸減小，取向各異；不同焊接接頭中，在具有相同熔凝區(qū)寬度的區(qū)域，樹枝晶尺寸與梯度基本相同，與焊接中采用的工藝參數(shù)無關。

圖4 不同工藝參數(shù)的焊接接頭中不同部位的顯微組織 （a），（b），（c）q＝433.2J·mm－1；（d），（e），（f）q＝373.2J·mm－1；（g），（h），（i）q＝216.6J·mm－1；（j），（k），（l）為試樣1熔凝區(qū)枝晶高倍照片 （其中圖（a），（d），（g），（j）為不同工藝下，焊縫上部顯微組織；圖（b），（e），（h），（k）為不同工藝下，焊縫中部顯微組織；圖（c），（f），（i），（l）為不同工藝下，焊縫根部顯微組織）Fig.4 Microstructure of different parts of the welding joints obtained by different process parameters（a），（b），（c）q＝433.2J·mm－1；（d），（e），（f）q＝373.2J·mm－1；（g），（h），（i）q＝216.6J·mm－1；（j），（k），（l）high－power microstructure photograph of dendrite of sample 1（（a），（d），（g），（j）top of fusion area；（b），（e），（h），（k）middle of fusion area；（c），（f），（i），（l）root of fusion area）

圖5 樹枝晶尺寸與熔寬的關系Fig.5 The relationship between the dendritic length and width of fusion zone

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Relationship Between the Dendritic Length and Width of Fusion Zone in ZL114ACasting Alloy Welding Joints by Laser－MIG Hybrid Welding

CHEN Guo－zhu，XIA Feng，HU Yong－gang，XIAO Jian－zhong
（State Key Laboratory of Material Forming and Die ＆ Mould Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

ZL114Acasting alloy plate with 8mm thickness was welded by Laser－MIG hybrid welding，the size and distribution of welding joints microstructure were investigated.The results show that the dendritic length has certain correlation with the width of fusion zone in different welding joints，which obtained by different process parameters.The dentritic length can be determined when the width of fusion zone is fixed.What’s more，the dendritic length shows a nearly linear decrease from top to root along the thickness direction of the welding joints.

ZL114A；hybrid welding；microstructure；dendrite；microstructure gradient

TG146.2＋1

A

1001－4381（2011）11－0053－05

國家重大基礎研究項目（61362）

2010－07－15；

2011－01－10

陳國珠（1986－），女，碩士研究生，從事鈦合金及鋁合金等顯微組織分析研究工作，聯(lián)系地址：湖北武漢華中科技大學材料與工程學院材料成形與模具技術國家重點實驗室（430074），E－mail：wdxzhu＠126.com

肖建中，男，教授，博士生導師，聯(lián)系地址：湖北武漢華中科技大學材料與工程學院材料成形與模具技術國家重點實驗室（430074），E－mail：jzxiao＠m(xù)ail.hust.edu.cn