Al-Li-Er合金的激光焊接工藝與組織性能研究

唐 威

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，山西 長(zhǎng)治 046011)

Al-Li合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、抗疲勞性能優(yōu)異等特性，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，符合新時(shí)期飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的輕量化和高性能發(fā)展的主題[1-2]。中國(guó)商用飛機(jī)有限公司開(kāi)發(fā)的C919飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)材料(如大型壁板等)中應(yīng)用了新型Al-Li-Er合金，這主要是因?yàn)樾滦虯l-Li-Er合金除具有傳統(tǒng)Al-Li合金的性能優(yōu)勢(shì)外，還由于微量Er元素的加入而提升了抗疲勞、抗沖擊等能力，因此，具有較好的應(yīng)用前景[3]。目前，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，飛機(jī)裝配大多采用鉚接技術(shù)進(jìn)行連接，增加了飛機(jī)自重和表面蒙皮質(zhì)量，而激光焊接技術(shù)作為一種具有焊接速度高、變形量小等優(yōu)點(diǎn)的新型焊接方法，在空客A380等大型客機(jī)的6XXX系鋁合金上已有成功應(yīng)用。但關(guān)于Al-Li-Er鋁合金的激光焊接方面的研究報(bào)道較少，具體激光焊接工藝參數(shù)對(duì)合金焊接接頭組織與性能影響的作用規(guī)律尚不清楚[4-6]。因此，本文以第四代Al-Li-Er可熱處理強(qiáng)化鋁合金為研究對(duì)象，考察激光填絲焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭組織與力學(xué)性能的影響，擬為高性能Al-Li-Er合金的連接質(zhì)量提升和工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)合金為第四代Al-Li-Er可熱處理強(qiáng)化鋁合金，最終狀態(tài)為固溶+冷加工+人工時(shí)效；采用激光焊接的方法對(duì)Al-Li-Er合金進(jìn)行焊接處理，焊絲為Φ1.2 mm的2319鋁合金焊絲；母材和焊絲的具體化學(xué)成分采用ICP法測(cè)得，結(jié)果如表1所示。

表1 母材與焊絲的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

采用YLS-8000型光纖激光器對(duì)Al-Li-Er合金進(jìn)行激光焊接，焊接系統(tǒng)配置KRC-50型六軸關(guān)節(jié)機(jī)械臂，激光束直徑為0.25 mm，激光最大功率為6 kW，激光波長(zhǎng)為1 065 nm，激光功率P設(shè)定為5 kW(A-1)、4 kW(A-2)和3 kW(A-3)；焊接速度Vw設(shè)定為5 m/min(B-1)、4 m/min(B-2)和3 m/min(B-3)；送絲速度Vf設(shè)定為5 m/min(C-1)、4 m/min(C-2)、3 m/min(C-3)、2 m/min(C-4)和1 m/min(C-5)。Al-Li-Er合金激光焊焊接示意圖如圖1所示，其中，母材焊接前預(yù)先進(jìn)行表面除油(25%氫氧化鈉溶液浸泡)、清水清洗和吹干處理。

圖1 Al-Li-Er合金激光焊焊接示意圖

采用線切割方法將激光焊接接頭加工成塊狀試樣后，經(jīng)過(guò)砂紙打磨、機(jī)械拋光和腐蝕(3.5%硝酸酒精溶液)后，在Leica DM6M型光學(xué)顯微鏡上觀察；采用HVS-1000型數(shù)顯維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，取3點(diǎn)平均值作為結(jié)果；室溫拉伸性能測(cè)試在Zwick萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為5 mm/min；拉伸斷口形貌在S-3400型掃描電鏡上進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

圖2為不同激光焊接工藝參數(shù)下Al-Li-Er合金焊接接頭的焊縫面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中，激光功率P與焊接速度Vw的比值不變?？梢?jiàn)，當(dāng)送絲速度Vf為3 m/min時(shí)，Al-Li-Er合金焊接接頭的焊縫面積隨著激光功率和焊接速度的增大而逐漸減小；當(dāng)送絲速度Vf為4 m/min時(shí)，Al-Li-Er合金焊接接頭的焊縫面積的變化規(guī)律與送絲速度Vf為3 m/min時(shí)相同，都表現(xiàn)為隨著激光功率和焊接速度增大而減小。在相同激光功率和焊接速度時(shí)，送絲速度的增加會(huì)增大焊縫面積，這主要是因?yàn)樵诩す夤β屎秃附铀俣炔蛔儠r(shí)，送絲速度的增加會(huì)增加熔池中的填料，相應(yīng)地焊絲凝固后焊縫區(qū)域的面積會(huì)隨之增加[7]。

圖2 不同激光焊接工藝參數(shù)下Al-Li-Er合金焊接接頭的焊縫面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3為不同激光焊接工藝參數(shù)下Al-Li-Er合金焊接接頭的焊縫余高系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別列出了不同送絲速度下焊接接頭上余高系數(shù)和下余高系數(shù)。從激光焊接接頭上余高系數(shù)與送絲速度的關(guān)系曲線可知，在激光功率和焊接速度比值不變的前提下，隨著送絲速度的增加，激光焊接接頭的上余高系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且在相同送絲速度下，激光功率和焊接速度越大則相應(yīng)的上余高系數(shù)越大；從激光焊接接頭下余高系數(shù)與送絲速度的關(guān)系曲線可知，在激光功率和焊接速度比值不變的前提下，隨著送絲速度的增加，激光焊接接頭的下余高系數(shù)也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，但在相同送絲速度下，下余高系數(shù)會(huì)隨著激光功率和焊接速度的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的特征，在激光功率P為4 kW、焊接速度Vw為4 m/min時(shí)可取得下余高系數(shù)最大值。

(a)上余高

表2為不同激光焊接工藝參數(shù)下Al-Li-Er合金焊接接頭的焊接熱裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別列出了不同激光功率、焊接速度和送絲速度下焊接接頭中的焊接熱裂紋情況。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，高激光功率(A-1)和高焊接速度(B-1)下，無(wú)論怎么改變送絲速度(5 m/min，4 m/min，3 m/min和2 m/min)，Al-Li-Er合金焊接接頭中都存在焊接熱裂紋；適當(dāng)降低激光功率至4 kW和焊接速度至4 m/min，當(dāng)送絲速度控制在2～5 m/min時(shí)，Al-Li-Er合金焊接接頭中仍然都存在焊接熱裂紋；進(jìn)一步降低激光功率至3 kW和焊接速度至3 m/min，當(dāng)送絲速度為3 m/min和2 m/min時(shí)，Al-Li-Er合金焊接接頭中未見(jiàn)焊接熱裂紋，而送絲速度為4 m/min和1 m/min時(shí)，Al-Li-Er合金焊接接頭中則又可見(jiàn)焊接熱裂紋。由此可見(jiàn)，高激光功率和高焊接速度下，Al-Li-Er合金焊接接頭中更容易出現(xiàn)焊接熱裂紋，這主要是因?yàn)楦呒す夤β氏伦饔糜诤辖鸷附咏宇^的時(shí)間較短而使熔池冷卻速度快、內(nèi)部應(yīng)力增大導(dǎo)致的[8]；低激光功率和低焊接速度下Al-Li-Er合金焊接接頭中出現(xiàn)焊接熱裂紋的概率較小，且控制適當(dāng)?shù)乃徒z速度(3 m/min和2 m/min)可以有效避免焊接熱裂紋的出現(xiàn)，這主要是因?yàn)樗徒z速度過(guò)快會(huì)造成焊縫余高太大、熱量不容易傳遞，而送絲速度過(guò)小則會(huì)造成熔池在凝固過(guò)程中無(wú)法愈合晶界的情況，從而出現(xiàn)熱裂紋[9]。

表2 不同激光焊接工藝參數(shù)下Al-Li-Er合金焊接接頭的焊接熱裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4為Al-Li-Er合金焊接接頭的金相組織，分別列出了Al-Li-Er合金焊接接頭的整體形貌、焊縫中心和熔合區(qū)的顯微組織，其中，激光功率、焊接速度和送絲速度分別為3 kW，3 m/min和2 m/min。由圖4(a)焊接接頭整體形貌可見(jiàn)，激光焊接接頭成形質(zhì)量良好，焊接接頭中未見(jiàn)氣孔或者微裂紋等缺陷存在；由圖4(b)焊接接頭焊縫中心的顯微組織可見(jiàn)，焊接接頭焊縫中心同時(shí)存在樹(shù)枝晶和等軸晶，且組織較為細(xì)??；由圖4(c)和圖4(d)的上部熔合區(qū)和下部熔合區(qū)的顯微組織可見(jiàn)，上部熔合區(qū)附近存在明顯垂直于熔合線的柱狀晶，而下部熔合區(qū)附近則有等軸細(xì)晶區(qū)(EQZ)存在，寬度約45 μm，平均晶粒尺寸約8 μm。上部熔合區(qū)和下部熔合區(qū)都與母材過(guò)渡良好。

(a)焊接接頭整體形貌

圖5為Al-Li-Er合金焊接接頭的硬度分布曲線，其中，激光功率為3 kW、焊接速度為3 m/min、送絲速度為2 m/min?？梢?jiàn)，焊縫區(qū)寬度約為2 mm，硬度相對(duì)熔合區(qū)和母材較低；Al-Li-Er合金母材的硬度約為158 HV，而焊縫中心的平均硬度約為95 HV；熔合區(qū)寬度約為3 mm，硬度介于焊縫與母材之間。

圖5 Al-Li-Er合金焊接接頭的硬度分布曲線

表3為Al-Li-Er合金焊接接頭的室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果，其中，激光功率為3 kW，焊接速度為3 m/min，送絲速度為2 m/min。可見(jiàn)，Al-Li-Er合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為283 MPa，屈服強(qiáng)度平均值為215 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為6.7%，而Al-Li-Er合金母材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為332 MPa，265 MPa和7.8%，激光焊接接頭試樣的抗拉強(qiáng)度平均值約為母材的85.24%，屈服強(qiáng)度平均值約為母材的81.26%，斷后伸長(zhǎng)率平均值約為母材的85.89%?？梢?jiàn)，采用本文的激光焊接工藝得到的焊接接頭的室溫拉伸性能與母材較為接近。

表3 Al-Li-Er合金焊接接頭的室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果

圖6為Al-Li-Er合金焊接接頭的拉伸斷口形貌，其中，激光功率為3 kW，焊接速度為3 m/min，送絲速度為2 m/min?？梢?jiàn)，Al-Li-Er合金焊接接頭的斷裂位置位于焊縫區(qū)，拉伸斷口主要由沿晶斷口和細(xì)小韌窩組成，表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂特征，這與表3的測(cè)試結(jié)果相吻合。由于Al-Li-Er合金中含有微量Er元素，可以在一定程度上起到細(xì)化晶粒、凈化除雜以及可形成納米級(jí)Al3Er強(qiáng)化相[10]，因此，Al-Li-Er合金母材具有較好的強(qiáng)塑性，而且激光焊接接頭中細(xì)小等軸晶組織也保證了焊接接頭具有較好的強(qiáng)塑性。

圖6 Al-Li-Er合金焊接接頭的拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

(1)當(dāng)送絲速度為3 m/min時(shí)，Al-Li-Er合金焊接接頭的焊縫面積會(huì)隨著激光功率和焊接速度的增大而逐漸減??；當(dāng)送絲速度為4 m/min時(shí)，Al-Li-Er合金焊接接頭的焊縫面積的變化規(guī)律與送絲速度為3 m/min時(shí)相同，都表現(xiàn)為隨著激光功率和焊接速度增大而減小。在相同激光功率和焊接速度時(shí)，送絲速度的增加會(huì)增大焊縫面積。

(2)在激光功率和焊接速度不變的前提下，隨著送絲速度的增加，激光焊接接頭的上余高系數(shù)和下余高系數(shù)都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。在高激光功率和高焊接速度下，Al-Li-Er合金焊接接頭中更容易出現(xiàn)焊接熱裂紋；而在低激光功率和低焊接速度下，Al-Li-Er合金焊接接頭中出現(xiàn)焊接熱裂紋的概率較小。

(3)激光功率、焊接速度和送絲速度分別為3 kW，3 m/min和2 m/min時(shí)，Al-Li-Er合金焊縫區(qū)寬度約為2 mm，焊縫區(qū)硬度相對(duì)熔合區(qū)和母材較低；Al-Li-Er合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為283 MPa，屈服強(qiáng)度平均值為215 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為6.7%，而Al-Li-Er合金母材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為332 MPa，265 MPa和7.8%，激光焊接工藝得到的焊接接頭的室溫拉伸性能與母材較為接近。

(4)Al-Li-Er合金焊接接頭的斷裂位置位于焊縫區(qū)，拉伸斷口主要由沿晶斷口和細(xì)小韌窩組成，表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂特征。