6xxx系鋁合金弧焊與高功率激光焊組織性能對比

林相遠(yuǎn)，張 威，王 利，周金旭，吳振國

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金具有密度小、塑性成型好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，為新能源汽車產(chǎn)品常用的輕量化材料[1]。對于可熱處理強(qiáng)化鋁合金而言，其焊后會存在接頭軟化現(xiàn)象進(jìn)而會使焊接接頭強(qiáng)度降低，這是產(chǎn)品設(shè)計者需要考慮的問題。激光焊接具有焊接速度快、能量集中、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)[2]，十分適合鋁合金產(chǎn)品的焊接。相對于激光自熔焊而言，LFW焊對于焊接間隙等工藝要求可以進(jìn)一步放寬[3]，因此LFW焊在汽車行業(yè)自動化生產(chǎn)中廣泛使用。MIG焊與TIG焊則具有施焊靈活的優(yōu)點(diǎn)，對于LFW焊空間位置不可達(dá)的焊縫位置，通常會使用MIG焊或TIG焊進(jìn)行焊接。

6005A-T6為一種常用的擠壓鋁合金材料，其焊后接頭受焊接熱循環(huán)影響，會存在熱影響區(qū)過時效軟化的現(xiàn)象，進(jìn)而使焊接接頭強(qiáng)度降低。不同的焊接方法焊接熱輸入不同，其焊后接頭強(qiáng)度也會有所差異。因此，本文選擇6005A-T6擠壓型材作為對象來進(jìn)行不同焊接方法下的焊接接頭組織與性能對比研究。旨在說明使用LFW焊、MIG焊以及TIG焊3種焊接方法獲得的接頭在組織與性能上的差異，為鋁合金焊接產(chǎn)品的焊接設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)選用6005A-T6(300 mm×150 mm×3 mm)擠壓鋁合金作為母材進(jìn)行焊接，母材的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.50～0.90，F(xiàn)e 0.35，Cu 0.30，Mn 0.50，Mg 0.40～0.70，Cr 0.30，Zn 0.20，Ti 0.10，Al及其它為余量；其力學(xué)性能為，抗拉強(qiáng)度Rm273MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2240MPa，斷后伸長率A50mm12.1%。

1.2 焊接實(shí)驗(yàn)

LFW焊的激光發(fā)生器為通快TruDisk-8002碟片式激光器，激光頭為High-YAG可變雙焦點(diǎn)焊接激光頭，機(jī)器人為KUKA。MIG焊設(shè)備為Fronius TPS5000數(shù)字化逆變鋁焊機(jī)，TIG焊設(shè)備為Panasonic YC-300BP數(shù)字化鋁焊機(jī)。填充金屬選用EN ISO 18273∶S Al 5356焊絲，焊絲直徑為1.2mm(3/64″)，保護(hù)氣體為99.999%純氬。填充金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.04，Mg 0.15，F(xiàn)e 0.11，Cu<0.01，Mn 0.15，Cr 0.07，Ti 0.07，Zn<0.01，Al余量；其力學(xué)性能為，抗拉強(qiáng)度Rm≥235MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥110MPa，斷后伸長率A50mm≥17%。

LFW焊接接頭形式為I形坡口對接接頭，實(shí)驗(yàn)時進(jìn)行單面焊雙面成形焊接，背部置有非永久襯墊，如圖1所示。MIG焊與TIG焊焊接接頭形式均為V形坡口對接接頭，實(shí)驗(yàn)時進(jìn)行單面焊雙面成形焊接，背部置有非永久襯墊，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)時的焊接參數(shù)見表1，均為單道焊。焊接接頭的表面形貌如圖3所示，焊接接頭的橫截面宏觀形貌如圖4所示，其接頭質(zhì)量均滿足ISO 10042 B級要求。通過對比可以發(fā)現(xiàn)LFW焊相對于弧焊而言，焊道窄而細(xì)、表面成型更加美觀。另外，LFW消耗的填充金屬量相對更少，節(jié)省焊材成本。

表1 焊接參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)

使用AG-X 100KN H電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對LFW接頭、MIG接頭以及TIG接頭進(jìn)行力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，所有試件的拉伸斷裂位置均為熱影響區(qū)?，F(xiàn)將焊接接頭抗拉強(qiáng)度與母材實(shí)際抗拉強(qiáng)度的比值定義為接頭系數(shù)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，LFW焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為211MPa，接頭系數(shù)0.77；MIG焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為190MPa，接頭系數(shù)0.70；TIG焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為181MPa，接頭系數(shù)0.66。即LFW焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于MIG的，MIG焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于TIG的。

2.2 微觀金相組織觀察

使用光學(xué)金相顯微鏡分別對6005A-T6的LFW焊接接頭、MIG焊接接頭以及TIG焊接接頭進(jìn)行200倍微觀金相組織觀察，如圖6所示。觀察所用的金相試樣均是在與拉伸實(shí)驗(yàn)相同的焊縫上截取的，在對金相試樣進(jìn)行微觀組織觀察時均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋等缺陷的存在，接頭質(zhì)量均滿足ISO 10042 B級要求。

由圖6可知，3種焊接方法獲得的焊接接頭在熔合線附近均存在典型的柱狀晶組織，這是由于該區(qū)域經(jīng)歷了快速凝固的過程而導(dǎo)致的。并且，熔合線區(qū)域的一次枝晶生長方向也會受到凝固過程中溫度梯度的影響，最終出現(xiàn)垂直于熔合線方向的柱狀樹枝晶[4]。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)在LFW焊接接頭的熱影響區(qū)中靠近熔合線的區(qū)域，母材受焊接熱循環(huán)作用所產(chǎn)生的晶粒粗大現(xiàn)象最不明顯，而TIG焊該現(xiàn)象則最為明顯。這是由于LFW焊接熱輸入較低而TIG焊接熱輸入較高所造成的。粗大的晶粒將造成力學(xué)性能的下降[5]，并且對于6xxx系鋁合金焊接接頭而言熱影響區(qū)正是強(qiáng)度最為薄弱區(qū)域。因此，低焊接熱輸入的LFW焊更具優(yōu)勢。

2.3 接頭硬度

使用FV-810型維氏硬度計，對LFW接頭、MIG接頭和TIG接頭焊縫橫截面水平中心線上的顯微硬度分布進(jìn)行測量，以分析不同焊接方法的焊接接頭硬度分布特征。顯微硬度的測量點(diǎn)由一側(cè)的熱影響區(qū)、熔合區(qū)直至焊縫中心后再至另一側(cè)的熔合區(qū)以及熱影響區(qū)，每兩個顯微硬度測量點(diǎn)的間隔距離為1mm。

3種焊接方法的接頭顯微硬度測量結(jié)果如圖7所示。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)LFW接頭硬度整體高于MIG接頭與TIG焊接頭。這是由于LFW焊接熱輸入較小所致，小的焊接熱輸入會使接頭熱影響區(qū)強(qiáng)度的下降程度降低，而硬度又是強(qiáng)度的體現(xiàn)，故LFW接頭硬度相對較高。

由顯微硬度測量結(jié)果還可知，LFW接頭硬度的最低值為68.3 HV1且位于熱影響區(qū)；MIG接頭的硬度最低值為50.7 HV1且位于熱影響區(qū)；TIG接頭的硬度最低值為50.4 HV1且也位于熱影響區(qū)。即LFW接頭的硬度最低值高于MIG的，MIG接頭的硬度最低值高于TIG的，該結(jié)果與其橫向拉伸斷裂結(jié)果相匹配。

3 結(jié)論

(1)LFW焊接頭相對于MIG與TIG焊接頭而言，焊縫更窄、表面質(zhì)量更好、熱輸入更小、焊材消耗量更少。

(2)LFW焊、MIG焊、TIG焊接頭均存在垂直于熔合線方向的柱狀樹枝晶組織。在焊接接頭熱影響區(qū)中靠近熔合線的區(qū)域，該區(qū)域母材受焊接熱循環(huán)作用會產(chǎn)生明顯的晶粒粗大現(xiàn)象。對于該現(xiàn)象，LFW焊最不明顯，而TIG焊則最為明顯，這也證明了LFW焊接熱輸入較低且能量集中，對于6xxx系鋁合金的焊接更具優(yōu)勢。

(3)LFW焊、MIG焊、TIG焊接頭拉伸斷裂位置均在熱影響區(qū)。其中LFW接頭抗拉強(qiáng)度平均值高出MIG接頭21MPa、高出TIG接頭30MPa。對于接頭的硬度而言，LFW接頭硬度整體較高，而MIG與TIG接頭硬度則相對較低。因此，LFW焊對于6xxx系鋁合金而言是一種獲得高強(qiáng)度接頭的焊接方法。