激光擺動(dòng)焊接的功率對(duì)鋼/鋁焊接接頭的影響

巴 一，韓善果，師文慶，黃進(jìn)鈺，黃 江，謝玉萍，何寬芳

(1.廣東海洋大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，湛江 524088；2.廣東省科學(xué)院 中烏焊接研究所，廣州 510650；3.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，佛山 528225)

引 言

近年來，隨著船舶制造業(yè)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)優(yōu)化，單一構(gòu)建的材料已經(jīng)無法滿足船舶的使用要求，異種材料在船舶的制造中逐漸普及[1-2]。鋼、鋁作為船舶制造中的常用材料，異種焊接無可避免。但是,由于鋼、鋁兩種材料在化學(xué)和物理性能上差異巨大，導(dǎo)致兩種材料的焊接性能較差，因此,傳統(tǒng)熔焊難以獲得高質(zhì)量的焊接接頭[3-5]。

激光擺動(dòng)焊接作為一種新技術(shù)，具有熱輸入量高、殘余應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，在異種材料的焊接領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[6-9]。近年來，已有大量學(xué)者針對(duì)異種材料的擺動(dòng)焊接進(jìn)行研究。LI等人[10]使用了5種激光擺動(dòng)方式搭接301不銹鋼，分別對(duì)焊縫成形質(zhì)量、焊縫氣孔率及焊縫尺寸、焊縫顯微組織進(jìn)行比較,結(jié)果表明，無論是哪種擺動(dòng)方式，所獲得的焊接接頭質(zhì)量都好于直線焊接接頭,其中8字形擺動(dòng)所得到接頭焊縫結(jié)合面最寬，環(huán)形擺動(dòng)所得到的接頭氣孔率最低。LI等人[11]使用激光擺動(dòng)焊接6061鋁合金和316L不銹鋼，將擺動(dòng)焊接和與直線焊接的鋼/鋁接頭，通過能譜分析與拉伸測試進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，激光直線焊接所獲得的接頭會(huì)產(chǎn)生大量FeAl3脆性化合物，擺動(dòng)焊接接頭會(huì)將鋼鋁攪拌均勻，生成Fe(Al)和FeAl化合物，這種化合物有利于延緩裂縫擴(kuò)散，使接頭具有更大的拉伸力。CHEN等人[12]用激光擺動(dòng)焊接Q235鋼，通過微觀組織與力學(xué)性能的分析，得出結(jié)論:擺動(dòng)焊接在強(qiáng)化接頭抗拉伸力的同時(shí)，對(duì)接頭的硬度、強(qiáng)度和韌性無不利影響。ZHANG等人[13]采用擺動(dòng)焊接對(duì)Al-6Mg鋁合金進(jìn)行焊接，研究擺動(dòng)頻率對(duì)縫孔率的影響，擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)幅度越高，孔隙率越低;擺動(dòng)焊接所得焊縫的極限抗拉強(qiáng)度為308MPa，非擺動(dòng)焊縫的極限抗拉強(qiáng)度為226MPa。LI等人[14]研究激光擺動(dòng)參量對(duì)304不銹鋼焊縫形貌、微觀組織和力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明，擺動(dòng)頻率增大，焊縫熔寬、硬度、抗拉強(qiáng)度均有所提高。

目前在激光擺動(dòng)焊接的研究中，主要是針對(duì)不同擺動(dòng)頻率、不同擺動(dòng)圖案對(duì)焊接結(jié)果的影響。對(duì)激光功率的變化影響焊接結(jié)果的研究較少，因此，具備一定的研究價(jià)值。本文中對(duì)5083鋁合金和DP780鍍鋅鋼進(jìn)行激光擺動(dòng)焊接，研究了不同的激光功率對(duì)焊縫成形、金相組織以及力學(xué)性能的影響，為激光擺動(dòng)焊接在工業(yè)上的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中使用的材料為1.3mm×100mm×100mm的DP780雙相鋼和1mm×100mm×100mm的5083鋁合金，其主要化學(xué)成分如表1所示。焊接系統(tǒng)如圖1所示。采用Trumpf 10002碟片激光器和PFO3D擺動(dòng)接頭，激光束通過光纖進(jìn)行柔性傳輸，傳輸光纖最小直徑為200μm;采用最大功率10kW的連續(xù)激光器，輸出波長1030nm，光束質(zhì)量為8nm·mrad，額定功率下的功率輸出穩(wěn)定性穩(wěn)定在±1%。

Table 1 Main chemical composition of substrate material (mass fraction)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中采用鋼上鋁下的搭接方法，其示意圖如圖2所示。搭接距離為35mm，用氮?dú)獗Ｗo(hù)，氮?dú)獾牧魉偈?5L/min。

影響焊接結(jié)果的主要因素有：激光功率、焊接速率和離焦量，其中激光功率對(duì)焊縫的影響最為顯著[15]。因此作者旨在研究激光功率對(duì)焊縫宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度和焊縫拉伸性能的影響。為獲得良好的焊接效果、焊接功率的窗口范圍，設(shè)計(jì)如表2所示的實(shí)驗(yàn)參量。

焊接前使用鋼束打磨材料表面，并用100%的工業(yè)乙醇進(jìn)行清洗，去除表面雜質(zhì)和多余油脂。焊接結(jié)束后，沿焊縫垂直方向切割金相試樣和拉伸試樣。依次使用400#、600#、1000#、1500#、2000#的砂紙對(duì)試樣表面打磨拋光，隨后使用wHF∶wHNO3∶wH2O=1∶2∶7的溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行腐蝕，通過平面測量顯微鏡和金相顯微鏡對(duì)焊縫的宏觀與微觀進(jìn)行觀察，使用維氏硬度計(jì)對(duì)不同焊縫的硬度進(jìn)行測量，加載力為500g，加載時(shí)間為10s。采用電子樣拉伸機(jī)測量焊縫最大拉伸力，拉伸試樣是180mm×20mm的長條狀試樣，拉伸速率為2mm/min。

Fig.2 Welding diagram

Table 2 Welding parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭宏觀形貌

圖3為不同激光功率下，焊接接頭的宏觀形貌。通過觀察可以看出：在激光擺動(dòng)焊接時(shí)，隨著激光功率的增加，焊縫出現(xiàn)熔池飛濺、下榻、氣孔、板材焊透等缺陷。當(dāng)激光功率過小時(shí)，焊接形式主要以傳導(dǎo)焊為主，板材表面激光功率密度較低，板材無法熔化。因此在1300W及以下的激光功率焊接時(shí)，兩塊板材并未完全焊接。當(dāng)激光功率達(dá)到1400W時(shí)，板材焊接成功，焊縫整體呈銀白色且成形較好。激光功率過大時(shí)，匙孔底部與金屬蒸汽之間的作用力增大，會(huì)導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生嚴(yán)重的下榻。當(dāng)激光功率增加到1500W時(shí),焊縫出現(xiàn)下塌，增加至1700W的功率時(shí)，板材焊穿。

Fig.3 Surface morphologies of welds obtained under different power conditions

使用不同激光功率焊接的鋼/鋁接頭形貌和接頭尺寸如圖4所示。圖中w1,w2和p1分別為焊縫上、下的寬度和焊縫熔深。隨著激光功率的增加，激光作用在母材表面的能量增大，熔池面積增大。但是當(dāng)激光功率過高時(shí)，熔池內(nèi)的金屬會(huì)過多的蒸發(fā)，導(dǎo)致熔池內(nèi)金屬含量降低。因此，隨著激光功率的增加，焊縫截面的尺寸與熔深呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)焊接速率、擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)周期等參量一定時(shí)，激光功率的變化會(huì)改變工件表面激光能量密度，影響焊縫成形效果，對(duì)焊接結(jié)果產(chǎn)生影響。

Fig.4 Weld section size

2.2 焊接接頭金相組織

焊接接頭主要由焊縫、熔合線和熱影響區(qū)三部分組成。通過金相顯微鏡觀察不同功率下得到的焊接接頭的不同區(qū)域，并對(duì)其金相組織進(jìn)行分析。當(dāng)激光功率為1400W時(shí)，焊接接頭的形貌如圖5所示。此時(shí)接頭由馬氏體組成，熱影響區(qū)為大量的回火馬氏體與塊狀鐵素體。

Fig.5 Metallographic structure of 2# welded joint

當(dāng)激光功率為1500W時(shí)，焊接接頭的形貌如圖6所示。焊縫兩側(cè)與底端產(chǎn)生大量的鐵素體與片狀珠光體，其余部分為低碳馬氏體。熱影響區(qū)為大量的回火馬氏體與塊狀鐵素體。

當(dāng)激光功率為1600W時(shí)，焊接接頭的形貌如圖7所示。在焊縫中間為鐵素體和少量的片狀珠光體。隨著焊縫熔深的增加，片狀珠光體減少，鐵素體含量增多。焊縫的熱影響區(qū)依然由回火馬氏體與塊狀鐵素體組成。

Fig.7 Metallographic structure of 4# welded joint

當(dāng)激光功率高時(shí)，作用在工件表面的能量有部分用于熔化金屬，形成熔池，其余部分繼續(xù)對(duì)工件加熱。此時(shí)晶粒成長的能量充足，粗化嚴(yán)重。組織之間與組織內(nèi)部的結(jié)合力小、容易成為焊接接頭的薄弱點(diǎn)，降低接頭的拉伸力與顯微硬度[16-17]。當(dāng)激光功率低時(shí)，激光作用在工件表面的能量相對(duì)較低，大部分能量用于熔化金屬形成熔池，晶粒生長的能量有限，焊縫的金相組織以細(xì)小的低碳馬氏體為主。隨著功率的增加，熔池存在時(shí)間變長，鋼/鋁接頭周圍產(chǎn)生的金屬間化合物也隨之增多。綜上可知，焊縫低碳馬氏體、小尺寸金屬間化合物的微觀組織均具備優(yōu)良的性能，主要表現(xiàn)為焊接接頭的顯微硬度與最大拉伸力的提升。

2.3 焊接接頭顯微硬度

DP780雙相鋼硬度約為240HV，5083鋁合金硬度約為70HV。經(jīng)過不同激光功率的擺動(dòng)焊接后，二者在焊縫中心和熱影響區(qū)的顯微硬度均有所提升。如圖8所示，在1400W的功率下，鋼側(cè)接頭的熱影響區(qū)和焊縫中心的硬度均高于母材且無明顯差距，硬度平均值為367HV，鋁側(cè)接頭無明顯變化。當(dāng)激光功率達(dá)到1500W時(shí)，鋼側(cè)接頭的熱影響區(qū)的顯微硬度明顯高于焊縫中心位置，此時(shí)焊縫中心的顯微硬度平均值為289HV,鋁側(cè)接頭的顯微硬度的平均值達(dá)到305HV。當(dāng)激光功率達(dá)到1600W時(shí)，鋼側(cè)接頭的顯微硬度為274HV，鋁側(cè)接頭的顯微強(qiáng)度為260HV。

Fig.8 Microhardness evolution of weld seam under different laser power

低功率時(shí),焊接接頭的冷卻速率大，母材轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，當(dāng)焊接功率增加時(shí)，焊接接頭的冷卻速率降低，接頭內(nèi)的低碳馬氏體減少，鐵素體增多。因此激光功率的增加，會(huì)導(dǎo)致鋼側(cè)接頭顯微硬度的降低[18-19]。隨著激光功率的增加，焊縫底端鋼板在鋁板中熔覆面積增加。相比于鋁，鋼的顯微硬度較高，所以較大的激光功率會(huì)改善鋁側(cè)接頭的顯微強(qiáng)度。在3組焊接接頭中，2#鋼側(cè)接頭、3#鋁側(cè)接頭、4#鋁側(cè)接頭的顯微硬度變化呈現(xiàn)“馬鞍形”；3#鋼側(cè)接頭、4#鋼側(cè)接頭的顯微硬度變化呈現(xiàn)“M形”。

2.4 焊接接頭拉伸力

不同激光功率下焊接接頭的宏觀拉伸形貌和最大拉伸力如圖9所示。 最大拉伸力為2681N，最小拉伸力為1532N，分別出現(xiàn)在1600W和1400W功率下焊接的接頭中，接頭的拉伸力隨著激光功率的增大而減小。不同激光功率下焊接接頭拉伸的失效形式均為鋼/鋁界面失效。失效的主要原因是在接頭結(jié)合處存在大量的脆性鋼鋁金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)，在拉伸力載荷下，IMC中的裂紋逐漸生長，引起接頭結(jié)合失效，最終導(dǎo)致結(jié)合面在鋁側(cè)基體脫離。

Fig.9 Schematic diagram of maximum tensile force of weld

當(dāng)功率為1400W時(shí)，焊縫熔深尺寸小，受力均勻，應(yīng)力集中在焊縫整體，IMC層的生長也受到限制，因此接頭冶金結(jié)合強(qiáng)度得到提高。隨著激光功率的增加，熱輸入量增高，焊縫熔深增加，且結(jié)構(gòu)為上寬下窄，在受到拉力載荷時(shí)容易受力不均勻，會(huì)在薄弱位置發(fā)生應(yīng)力集中，造成焊縫斷裂[20]。此外，高功率下，接頭會(huì)產(chǎn)生較厚的IMC層，在IMC層中存在微裂紋，導(dǎo)致接頭冶金結(jié)合強(qiáng)度較低。故接頭由于受機(jī)械結(jié)合以及冶金結(jié)合強(qiáng)度的影響，隨激光功率的增加，其最大拉伸力降低。

3 結(jié) 論

采用激光擺動(dòng)焊接的方式，在1300W～1700W的功率區(qū)間內(nèi)，對(duì)5083鋁合金和DP780雙相鋼焊接,研究了焊縫形貌、金相組織、顯微硬度和拉伸力對(duì)其的影響。

(1)激光擺動(dòng)焊接鋼鋁異種材料的有效功率區(qū)間在1400W～1600W之間。功率小于區(qū)間內(nèi)，無法完成板材的焊接;功率過大，會(huì)導(dǎo)致板材燒穿，連接形式失效。

(2)激光功率的增加，會(huì)一定程度上增加焊縫熔寬與熔深，但是過大的激光功率會(huì)對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生影響，如氣孔、裂紋等缺陷。

(3)隨著激光功率的增大，焊縫的晶粒尺寸增加，接頭內(nèi)的馬氏體被鐵素體取代。鐵素體含量的增多，會(huì)導(dǎo)致焊縫的顯微硬度與抗拉強(qiáng)度降低。在有效功率區(qū)間內(nèi)，1400W焊接的接頭具備高硬度與最大拉伸力。