3A21鋁合金激光焊與激光－氬弧焊復(fù)合焊微觀組織及性能比較研究

盧 艷 宋倫斌 唐 霞 鄧世平

(①重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400044;②重慶廣播電視大學(xué)機電工程學(xué)院，重慶 400052;③重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

在航空航天、船舶、機械、電器和汽車制造等領(lǐng)域，鋁及鋁合金材料由于具有高的比強度、易加工成形等優(yōu)點，已經(jīng)獲得了大量運用。在具體應(yīng)用時運用合適的焊接方法實現(xiàn)材料的焊接可以簡化工藝，制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。但由于鋁合金的熔點較低，導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)大，在對鋁及其合金材料進行焊接時，常規(guī)熔焊方法易產(chǎn)生裂紋、氣孔和疏松等焊接缺陷，導(dǎo)致接頭性能降低［1－2］。激光焊接技術(shù)是一種先進的焊接技術(shù)，具有能量密度高、焊接熱輸入小、焊速快、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄和焊接變形小等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注［3］。但是，鋁合金材料的激光焊接工藝研究仍然面臨較多難題。文獻［4－5］指出，固態(tài)情況下鋁及其合金內(nèi)部自由電子密度很高，易與激光光束中的光子作用而將能量反射掉，使得鋁及其合金對CO2激光有極高的反射率，純鋁的反射率更高達80%［6］，因此鋁及其合金激光焊接的研究應(yīng)用是激光加工中的一項難題。文獻［7］認為氬弧焊是以氬氣為保護氣體的焊接技術(shù)，其電弧直徑小、能量集中且電弧穩(wěn)定，因此焊接過程易控制，焊接變形小，惰性氣體保護使氬弧焊適合于各類金屬材料的焊接。另外，相比于激光焊的大功率密度106W/cm2，傳統(tǒng)的氬弧焊僅為102～104W/cm2。有研究結(jié)果表明［8－12］，復(fù)合焊接工藝與單獨激光焊接工藝相比有一些優(yōu)點:(1)增加焊接熔深;(2)提高焊接速度及生產(chǎn)率;(3)改善接頭性能;(4)降低設(shè)備成本。因此探索利用復(fù)合焊接方式實現(xiàn)對激光焊接工藝的提升具有較大的實用意義。

本文主要應(yīng)用激光焊接技術(shù)和激光－氬弧焊接技術(shù)2種焊接方式分別對2 mm厚的3A21鋁合金板材進行對焊試驗。通過分析焊接后焊縫接頭的微觀組織及硬度分布，發(fā)現(xiàn)激光－氬弧焊復(fù)合焊接方式能有效減少單純激光焊接中產(chǎn)生的氣孔等缺陷，提高了焊接接頭的組織性能，獲得了工藝上的提高。

1 試驗材料、條件及方法

3A21鋁合金是防銹鋁合金，不可進行熱處理強化。合金的塑性較高而強度較低，故常用冷加工方法來提高其力學(xué)性能。此類合金的特點是抗蝕性強，焊接性能好［13］。目前，3A21鋁合金的焊接一般采用熔化焊，但在實際生產(chǎn)中卻易產(chǎn)生多種焊接缺陷，如焊縫氣孔超標、夾渣、接頭力學(xué)性能不達標等。實驗用材為厚2 mm的3A21鋁合金軋制板材，H24狀態(tài)，尺寸規(guī)格為100 mm×40 mm×2 mm。3A21－H24鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2，對其進行激光焊和激光－氬弧復(fù)合焊2種工藝的對接焊。焊前對試樣進行精細打磨、清潔，以利于提高焊接接頭性能。激光焊接工藝參數(shù)及激光－氬弧復(fù)合焊焊接工藝參數(shù)見表3和表4。在焊接件上沿焊縫橫向分別取樣，制成金相試樣及硬度試樣，腐蝕液為1.0%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3混合酸溶液。本實驗采用蔡司Axiovert40 MAT金相顯微鏡觀察焊接接頭微觀組織及采用HXS－1000AY數(shù)字式液晶智能顯微硬度計測試接頭的硬度，其標準號為Q/YXLY1－2000，測試結(jié)果為Vickers Hardness(一般在常溫、常濕，大氣壓為88～106 kPa下測量)，加載50 g，加載時間為20 s。

表1 3A21鋁合金成分

表2 鋁合金的力學(xué)性能

表3 激光焊接工藝參數(shù)

表4 激光－氬弧復(fù)合焊焊接工藝參數(shù)

圖1為激光焊接焊縫，由圖可見，該焊接方法制得的焊接材料，焊接表面出現(xiàn)一定程度的塌陷，焊縫細小美觀且實現(xiàn)了穿透焊，在材料背面留下完整的焊縫(圖1b);圖2為激光－氬弧復(fù)合焊接焊縫，激光光束焊接板材后，在板材背面留下焊點(圖2b)，激光－氬弧復(fù)合焊后的焊縫相比激光焊粗大。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 焊接接頭微觀組織

圖3為鋁合金母材及焊接接頭的微觀組織:圖3a為3A21鋁合金的母材顯微組織，圖中大塊長條狀為化合物(FeMn)Al6，灰色部分為基體α(Al);圖3b為激光焊接后的顯微組織，與母材相接的焊縫區(qū)組織較基體細小，激光焊接的熱影響區(qū)很小，幾乎看不到焊縫組織的變化;圖3c為激光－氬弧復(fù)合焊后的顯微組織，圖中左下方為激光焊接組織，右下方位氬弧焊顯微組織，相比于激光焊接的組織，激光－氬弧復(fù)合焊后材料的晶粒有所長大，這是由于液態(tài)熔池對激光的反射率大大降低，提高了激光的吸收率，從而獲得的焊縫熔合區(qū)也變得寬大。

2.2 焊接接頭氣孔分布

圖4為焊接接頭的缺陷分布圖，從圖中可以看到:激光焊接后的焊接區(qū)內(nèi)存在大量疏松性氣孔，大小不同的氣孔均勻彌散地分布在熔合區(qū)內(nèi)，且熔合區(qū)內(nèi)還有些夾雜物(圖4a);激光－氬弧復(fù)合焊后的焊區(qū)內(nèi)氣孔的數(shù)量減少，但同時氣孔有一定程度的變大，較大氣孔直徑可達約40～50 μm(圖4b)，但熔合區(qū)內(nèi)顯微組織較激光焊接美觀，夾雜物明顯減少。

2.3 焊接接頭的硬度分布

3A21鋁合金激光焊的顯微硬度分布如圖5所示。由圖5可知，沿著焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基體的方向，激光焊接的焊縫材料的硬度值出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，即在熔合區(qū)硬度值有所降低，激光焊接焊區(qū)的平均顯微硬度為52 HV，母材平均顯微硬度為43 HV，焊接組織的顯微硬度值明顯高于母材硬度值，這主要是由于激光焊接后冷卻速度快，得到細小的焊縫顯微組織。

3A21鋁合金激光—氬弧復(fù)合焊的顯微硬度分布如圖6所示。由圖6可知，材料在焊接過程中發(fā)生了強化作用。沿著焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基體的方向，激光—氬弧復(fù)合焊的顯微硬度出現(xiàn)峰值，在熔合區(qū)部分，顯微硬度明顯降低，這主要是由于復(fù)合焊使焊縫組織中出現(xiàn)粗大的樹枝晶，從而降低了該部分的性能。復(fù)合焊焊縫的平均顯微硬度為51.3 HV，母材平均顯微硬度為43 HV，焊接組織的顯微硬度值依然高于母材硬度值。

3 結(jié)語

通過對3A21鋁合金材料進行激光焊接與激光－氬弧復(fù)合焊接2種方式焊接后，研究發(fā)現(xiàn)激光焊接得到的3A21鋁合金焊縫區(qū)組織細密，熱影響區(qū)較小，無明顯的近焊縫組織變化;激光－氬弧復(fù)合焊焊區(qū)的顯微組織較激光焊的顯微組織有所變大，接近焊縫處有粗大的樹枝晶的形成，且熱影響區(qū)變寬;激光－氬弧復(fù)合焊的接頭組織缺陷較激光焊接的組織缺陷明顯改善，氣孔的數(shù)量減少的同時夾雜物含量也明顯降低;激光焊接接頭的平均顯微硬度可達52 HV，激光－氬弧復(fù)合焊的平均顯微硬度值51.3 HV，激光焊接接頭的平均顯微硬度略高于復(fù)合焊接頭平均顯微硬度，但二者均高于基體的顯微硬度值43 HV。因而可以認為復(fù)合激光焊接方式相對于單純激光焊接方式能有效提高3A21鋁合金材料焊接接頭組織性能，減少焊接缺陷發(fā)生，從而提升焊接工藝。

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