激光焊接7A52鋁合金變厚板微觀缺陷研究*

陳大江，張大斌，曹 陽，龍 祥，宋 濤，魏曉雍

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，在相當(dāng)數(shù)量連接性關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件應(yīng)用焊接成形，要求結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)性能好，在復(fù)雜工況的環(huán)境中承受一定的載荷且耐腐蝕兩者兼得的性能，因此，要求裝備零部件焊接接頭在特殊工況的環(huán)境中具有較好的質(zhì)量和一定的壽命，必須兼顧焊接工藝、工藝參數(shù)對接頭組織和強(qiáng)度的影響[1]。輕量化技術(shù)成為世界發(fā)展主流趨勢，保證裝備結(jié)構(gòu)零部件滿足使用強(qiáng)度和安全性能的前提條件下，盡可能降低裝備整體重量，減少燃料消耗，降低排氣污染，增加裝備能動(dòng)性。常溫條件下7A52鋁合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能，航空航天、汽車等方面都有廣泛應(yīng)用。保證設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將密度較大質(zhì)量較大的材料替換為密度小，比強(qiáng)度高的材料。7A52鋁合金是 一種具有較高比強(qiáng)度和良好熱穩(wěn)定性的用于國防軍工，民用裝備的輕型鋁合金材料，可通過熱處理對材料進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化，處理后強(qiáng)度超過500 MPa ，迄今為止無其他型號材料可以替代的高強(qiáng)可焊接加工制造的鋁合金。其固熔溫度范圍寬，鑄造和成型良好，可加工性能好，可以通過固溶強(qiáng)化、軋制強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化等方法改變材料的機(jī)械性[2]。7A52高強(qiáng)度鋁合金變厚度板是指通過軋制技術(shù)將坯料軋制成厚度變化，實(shí)現(xiàn)不同位置的厚度和強(qiáng)度不同的板[3-4]。為保證裝備構(gòu)件在滿足使用強(qiáng)度要求的前提下減輕重量、降低能耗，提出使用鋁合金變厚板替代等厚板，既滿足了使用強(qiáng)度又實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化。激光焊接7A52高強(qiáng)鋁合金變厚板，激光焊接熱輸入量大、能量密度高、深寬比大、效率高，是焊接鋁合金的重要方法之一。但是鋁合金其熔點(diǎn)低、熱傳導(dǎo)系數(shù)較大、熱膨脹率高，焊縫容易出現(xiàn)微裂紋、微氣孔等微觀缺陷[5-7]，而且這些缺陷是使其在服役中失效主要原因。

影響7A52高強(qiáng)度鋁合金變厚板焊縫接頭質(zhì)量的主要因素是功率P、速度V等，這些工藝參數(shù)決定焊接熱輸入量的大小和能量密度的大小，從而影響焊縫質(zhì)量。鋁合金變厚板具有良好的耐腐蝕性、耐熱性、耐氧化性，厚度大的位置承載能力好、強(qiáng)度高，在非關(guān)鍵位置受力小，厚度小，滿足使用安全要求[8]。目前，焊接等厚板的方法要求焊接過程中保證各工藝參數(shù)的穩(wěn)定性和熱量穩(wěn)定輸入，但是變厚板在不同位置厚度不同，故要求熱輸入不同。如果焊接變厚板過程工藝參數(shù)相同、熱輸入量恒定、則在變厚板不同厚度位置輸入的熱量相同將導(dǎo)致厚度小的地方過熔透，厚度大的地方未熔透，產(chǎn)生大量焊接微裂紋、微氣孔等缺陷。很多學(xué)者對鋁合金變厚板焊接的研究較少，主要包括傳統(tǒng)方法焊接，定工藝參數(shù)激光焊接輸入焊接，鋁合金變厚板不同厚度輸入功率，速度，即輸入能量不變，致使不同厚度位置焊縫質(zhì)量差異較大，焊接缺陷明顯。為改善鋁合金變厚板焊縫缺陷，搭建激光焊接實(shí)驗(yàn)平臺，檢測定工藝參數(shù)焊接時(shí)焊縫微觀缺陷，分析缺陷形成機(jī)理，提出連續(xù)工藝參數(shù)焊接，檢測連續(xù)變工藝參數(shù)焊接時(shí)焊縫微觀缺陷。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及樣品

7A52鋁合金主要添加合金元素Zn、Mg、Cu、Zr、Mn等。隨著Zn、Mg合金元素含量增加，合金抗拉強(qiáng)度和熱處理效應(yīng)一般會(huì)隨之優(yōu)化并使合金具有較好的耐應(yīng)力腐蝕性能和降低焊接裂紋數(shù)量。合金中其他元素對合金的組織和性能也有明顯影響[9]。7A52高強(qiáng)度鋁合金具有良好的耐久性和大損傷容限、強(qiáng)度高、韌性好、抗腐蝕性強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度的前提條件下減輕整體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[10-11]。焊前將7A52高強(qiáng)度鋁合金線性變厚板切割，尺寸為100×60 mm，薄端厚度為1 mm，厚端厚度為2 mm,線性連續(xù)變厚斜率為0.01的試樣，對焊接接頭進(jìn)行必要的加工，如圖1所示。用砂紙打磨除去表面氧化層，同時(shí)增加表面粗糙度，以增加激光能量吸收率。板材用丙酮清洗除去油污，晾干待焊。準(zhǔn)備好的母材12 h內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 7A52高強(qiáng)度鋁合金變厚板模型

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光焊接設(shè)備，使用武漢銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的型號為C6000XZ的光纖激光器，最大輸出功率為6 kW，工作連續(xù)，偏振方向隨機(jī)，功率調(diào)節(jié)范圍10%～100%，波長1080±5 nm ，光纖芯直徑100 μm。焊接頭與ABB機(jī)械臂配套組裝焊接系統(tǒng)，增加設(shè)備靈活性和可操作性，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變功率對變厚板進(jìn)行焊接；調(diào)節(jié)光束焦點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)不同離焦量焊接；通過設(shè)置模組的速度和加速度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)變速焊接。

如圖2所示為變速滑移平臺模組，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以調(diào)節(jié)平臺滑動(dòng)速度及加速度。變速滑移平臺FSL120直線模組采用帶防屑防塵功能的遮罩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。雙導(dǎo)軌適合高負(fù)載和高速度。將夾具固定在平臺上，通過調(diào)節(jié)控制器實(shí)現(xiàn)不同速度，不同加速度的直線運(yùn)動(dòng)。

圖2 變速滑移平臺模組

部分設(shè)備依托貴州大學(xué)大型儀器設(shè)備共享平臺，開展樣品制備和焊接接頭微觀缺陷檢測等。

1.3 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

實(shí)驗(yàn)平臺主要包括光纖激光焊接系統(tǒng)、變速滑移平臺模組、一種三維柔性組合的焊接工裝夾具、保護(hù)氣體等，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，如圖3所示，進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。

圖3 激光焊接鋁合金變厚板實(shí)驗(yàn)平臺

7A52高強(qiáng)度鋁合金變厚板安放在夾具上并調(diào)整到合適位置固定在變速滑移平臺上，模組編程控制器控制焊接速度、加速度、位移等，步進(jìn)電機(jī)的角位移、角加速度等轉(zhuǎn)化為模組滑塊運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、位移等。調(diào)節(jié)光束與焊縫相對位置，調(diào)節(jié)離焦量，調(diào)節(jié)光束與焊縫夾角，控制氣流量；在焊接系統(tǒng)控制平臺編譯程序，確定功率P、速度V；焊接時(shí)焊接頭保持靜止而焊件隨夾具運(yùn)動(dòng)達(dá)到改變焊接速度。

2 定工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)

2.1 定工藝實(shí)驗(yàn)

焊接功率P=1600 W，速度V=85 mm/s，離焦量f=0 mm，純度為0.99的氬氣作為保護(hù)氣。定功率P=1600 W，焊接實(shí)驗(yàn)12組，定速度V=85 mm/s焊接實(shí)驗(yàn)12組。

焊接功率、速度保持恒定，薄端材料熔化后溫度繼續(xù)升高并將熱量向周圍傳導(dǎo)，熔池深寬比減小，匙孔尺寸增大，熔池內(nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)強(qiáng)烈；大量熱量輸入使熔池內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于金屬沸點(diǎn)，液態(tài)金屬氣化蒸發(fā)形成光致等離子體，光致等離子體的強(qiáng)烈屏蔽作用使較短時(shí)間內(nèi)光束照射輸入到熔池和匙孔的熱量大幅度減少，正在演變的開口較大的匙孔因液態(tài)金屬吸收熱量減少使溫度迅速降低，回流填充過程終止，液態(tài)金屬凝固，匙孔未完成填充演變過程位置形成凹陷[12]。厚端熔池深寬比大，匙孔直徑小而深度大，熔池內(nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)強(qiáng)烈；熔池和匙孔隨著光束移動(dòng)動(dòng)態(tài)演變，光束向前移動(dòng)使熔池吸收熱量迅速減少，深而窄的匙孔被液態(tài)金屬回流填充，液態(tài)金屬凝固，匙孔未完成填充，匙孔底部空間形成小孔，小孔呈橢球形或不規(guī)則形狀，由于熱輸入量不足焊縫出現(xiàn)未熔透。

如圖4所示，在焊件的相同位置線切割制取檢測樣品，檢測焊縫微觀缺陷。

圖4 樣品取樣位置

2.2 微觀缺陷檢測及分析

在焊縫上通過線切割截取尺寸為10×5 mm的小塊作為觀測焊縫組織的樣品，如圖4所示，焊縫位于樣品正中央。將截取的樣品鑲嵌粉鑲嵌，鑲嵌后樣品為半徑等于20 mm，高等于15 mm的柱體，將柱體打磨、拋光。拋光后的樣品用濃度為5%的氫氟酸腐蝕后使用掃描電鏡(SEM)觀測不同厚度位置焊縫的微觀氣孔、微觀裂紋等。

定功率焊接7A52高強(qiáng)度鋁合金變厚板縫微觀缺陷。如圖5所示，定功率焊接7A52高強(qiáng)度鋁合金線性變厚板，掃描電鏡觀測焊縫中心缺陷分布。

薄端焊縫中心，存在密集型枝狀裂紋，裂紋起始端和終止端呈不規(guī)則鈍角，沿晶界延展交匯，交錯(cuò)枝間零散分布不規(guī)則小孔。厚端焊縫中心存在不規(guī)則孔，孔徑大于5 μm，位于晶內(nèi)，孔周圍沿晶界有裂紋產(chǎn)生，孔內(nèi)壁粗糙，有明顯凸起。

如圖5所示，定功率焊接，薄端焊縫單位體積材料吸收熱量多，材料熔化充分，熔融金屬熱應(yīng)變累積量大；熔池維持高溫熔融狀態(tài)時(shí)間長，應(yīng)變累積時(shí)間長，促進(jìn)裂紋產(chǎn)生；熱輸入量充足，熔池維持高溫熔融狀態(tài)時(shí)間長，熔池冷卻、結(jié)晶時(shí)間長，晶粒粗化，晶界處產(chǎn)生相互壓力，溫度降低，焊縫凝固收縮，晶界壓力大幅度減小，晶界處受到指向晶內(nèi)的收縮拉力，二者同時(shí)作用，晶界處產(chǎn)生裂紋。裂紋延伸交匯，呈枝狀擴(kuò)展，密集分布。

(a) 薄端焊縫微觀缺陷 (b) 厚端焊縫微觀缺陷

如圖6所示，厚端焊縫吸收總能量與薄端度位置相同，單位體積材料吸收熱量少，熔化不充分，熔池高溫狀態(tài)時(shí)間短，匙孔不穩(wěn)定。光束移動(dòng)，熔池表面熔融金屬在重力作用下呈滴狀流向匙孔口，有向下墜落趨勢；匙孔內(nèi)短時(shí)間內(nèi)呈負(fù)壓，卷入外部氣體和等離子體蒸氣，受到反沖壓力作用，匙孔內(nèi)壁凹陷，匙孔壁周圍液態(tài)金屬表面張力向匙孔內(nèi)作用，匙孔底部及后部同時(shí)受到流動(dòng)攪拌力作用，匙孔內(nèi)壁形成小凸起；光束繼續(xù)前移，前一時(shí)刻匙孔演變，匙孔口熔滴下流封住匙孔形成氣泡，氣泡內(nèi)壁粗糙且存在凸起，氣泡上浮過程中受到擠壓，造成部分變形。

圖6 定功率焊接厚端焊縫微觀氣孔形成原理

根據(jù)定功率焊接縫微觀缺陷分布情況，提出連續(xù)變功率焊接。

如圖7所示，定速度焊接，薄端焊縫中心稀疏分布彎曲河流狀微裂紋，裂紋延展不明顯，長度小，寬度小，主要在晶界處產(chǎn)生；裂紋周圍分布不規(guī)則形狀微孔。

厚端出現(xiàn)圓整度較大的微孔，孔徑大于5 μm，孔內(nèi)壁光滑，但孔內(nèi)存在不規(guī)則形狀填充物；孔的周圍存在發(fā)散性擴(kuò)展裂紋，遠(yuǎn)離孔的位置，存在更小尺寸的不規(guī)則形狀小微孔稀疏分布。

如圖7所示，薄端焊縫熔化充分，焊縫中心維持高溫熔融狀態(tài)時(shí)間長，材料脆性溫度區(qū)發(fā)生熱應(yīng)變時(shí)間長，熱應(yīng)變累積量大；充足熱量使焊縫體積膨脹明顯，冷卻凝固過程所需時(shí)間長，焊縫累積收縮量大；焊縫中心維持高溫熔融狀態(tài)時(shí)間長，晶粒有足夠的生長時(shí)間，晶粒粗大，高溫狀態(tài)相鄰晶粒晶界處存在方向相反的力，互相擠壓，冷卻凝固，晶粒收縮，晶界處相互作用壓力消失，晶界處受到晶內(nèi)收縮拉力，晶界處應(yīng)力集中，晶界產(chǎn)生微裂紋。速度對焊縫性能影響小于功率，微裂紋沒有包圍整個(gè)晶體在各晶體之間延伸密集分布，只是在晶體的某一個(gè)或兩個(gè)晶界延展，所以微裂紋交匯概率低，延展后呈彎曲河流狀稀疏分布。小尺寸氫氣微孔或低沸點(diǎn)元素蒸發(fā)小尺寸微氣孔融入裂紋概率降低，相對多的微氣孔分布在裂紋間的區(qū)域。

(a) 薄端焊縫微觀缺陷 (b) 厚端焊縫微觀缺陷

如圖8所示，厚端焊縫，材料保持高溫熔融狀態(tài)時(shí)間短，熔池和匙孔不穩(wěn)定，高溫熔融狀態(tài)金屬向匙孔流動(dòng)，先流到匙孔口的熔融狀態(tài)金屬在重力作用下形成小尺寸熔滴，有向下脫落的趨勢；后先流到匙孔口的熔融狀態(tài)金屬被先流到的金屬熔融擋住，形成熔滴，繼續(xù)流動(dòng)長大成為尺寸較大的熔滴，向匙孔壁靠近；匙孔短時(shí)間內(nèi)為負(fù)壓狀態(tài)，卷入外部氣體，卷入氣體對匙孔壁產(chǎn)生壓力，抵消表面張力和流動(dòng)攪拌力對匙孔產(chǎn)生的壓力，避免匙孔壁形成明顯凸起；經(jīng)歷一段時(shí)間后，先流到匙孔口的熔滴長大，重力作用下脫落，上部大熔滴流動(dòng)封住匙孔，匙孔內(nèi)部存在卷入氣體，形成內(nèi)壁光滑氣孔；光束移動(dòng)后焊縫熔融區(qū)域溫度驟然降低，焊縫收縮凝固，氣孔凝固收縮體積變小，脫落到氣孔內(nèi)部熔滴相互碰撞擠壓變形，凝固收縮為不規(guī)則形狀填充物；氣孔凝固收縮后，周圍晶體收縮變形大，晶界處存在收縮拉力和集中應(yīng)力，晶界處形成微裂紋，氣孔周圍微裂紋發(fā)散擴(kuò)展，離氣孔邊緣越遠(yuǎn)，晶界受到氣孔收縮變形影響越小，收縮拉力和應(yīng)力越小，裂紋寬度減小直至消失；小孔周圍區(qū)域，小尺寸氫氣微孔或低沸點(diǎn)元素蒸發(fā)小尺寸微氣孔被匙孔演變形成的大尺寸氣孔吸收或者被微裂紋吸收，所以孔周圍沒有明顯觀察到小尺寸微孔分布；遠(yuǎn)離小孔邊緣，匙孔演變形成的大尺寸氣孔不能對小尺寸微氣孔產(chǎn)生作用并吸收它，故小尺寸微氣孔散亂分布。

圖8 定速度焊接厚端焊縫微觀氣孔形成原理

根據(jù)定速度焊接時(shí)微觀缺陷分布情況，提出連續(xù)變速度焊接。

3 變工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)

3.1 連續(xù)變功率、變速度焊接

上一節(jié)分析定功率、定速度焊接缺陷的形成機(jī)理并提出連續(xù)變功率、變速度焊接變厚板。變功率焊接，按照表1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并檢測焊縫微觀缺陷。

表1 優(yōu)化工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)

使用與檢測定工藝參數(shù)焊接缺陷相同的方法制作檢測樣品并檢測連續(xù)變功率、變速度焊接鋁合金變厚板焊縫微觀缺陷。

3.2 變工藝參數(shù)焊接微觀缺陷檢測及分析

連續(xù)變功率焊接鋁合金變厚板焊縫微觀缺陷。如圖9所示，薄端焊縫中心，定功率焊接存在的密集型枝狀微裂紋被消除，零散分布不規(guī)則形狀微孔。

(a) 薄端焊縫微觀缺陷 (b) 厚端焊縫微觀缺陷

厚端焊縫中心存在不規(guī)則大尺寸微孔，孔周圍沿晶界有微裂紋分布等被消除，零散分布不規(guī)則形狀小尺寸微孔。金屬高溫熔融狀態(tài)溶解大量低沸點(diǎn)元素，溫度降低，金屬向固相轉(zhuǎn)變凝固，低沸點(diǎn)元素在其中的溶解度變小，元素析出形成氣泡；焊縫熔池表層高溫熔融狀態(tài)在匙孔周圍存在紊流，紊流吸收氫氣和空氣中的水分子等，高溫下氣體蒸發(fā)，在焊縫中形成小尺寸氣泡，氣泡主要以氫氣泡為主；氣泡上浮過程中受到不同方向的力，氣泡變形，部分氣泡上浮逃逸出熔池，部分氣泡在逃逸過程中被凝固在焊縫內(nèi)形成微氣孔，變形氣泡演變形成的微氣孔圓整度降低，呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀。不規(guī)則形狀小尺寸微孔由低沸點(diǎn)元素析出蒸發(fā)和焊縫表層金屬吸收氫氣等形成氣泡演變。連續(xù)變功率焊接改善了焊縫，消除和減少了微氣孔和微裂紋。

如圖10所示，連續(xù)變速度焊接消除了定速度焊接薄端焊縫中心稀疏分布彎曲河流狀微裂紋，但焊縫中心分布有少量不規(guī)則形狀微孔。定速度焊接時(shí)厚端焊縫位置存在的圓整度較大的微孔及周圍存在的發(fā)散性擴(kuò)展微裂紋被消除，少量不規(guī)則形狀氫氣微孔或低沸點(diǎn)元素蒸發(fā)微孔稀疏分布。低沸點(diǎn)元素因金屬溫度降低溶解度變小析出形成氣泡，焊縫表層金屬高溫熔融狀態(tài)紊流作用吸收氫氣和空氣中的水分子等形成氣泡，氣泡受力變形上浮演變形成不規(guī)則形狀小尺寸微孔。連續(xù)變速度焊接改善了焊縫微觀缺陷。

(a) 薄端焊縫微觀缺陷 (b) 厚端焊縫微觀缺陷

4 結(jié)論

連續(xù)變功率、變速度激光焊接鋁合金變厚板并檢測焊縫微觀缺陷，主要結(jié)論如下：

(1)定功率焊接，薄端焊縫中心產(chǎn)生大量微觀裂紋，沿晶界擴(kuò)散，厚端焊縫中心產(chǎn)生大尺寸氣孔。定速度焊接，薄端焊縫中心稀疏分布狀微裂紋且延展不明顯，主要在晶界處產(chǎn)生，微裂紋周圍分布不規(guī)則形狀微孔；厚端分布內(nèi)壁光滑的微孔，但微孔內(nèi)存在不規(guī)則形狀填充物。

(2)連續(xù)變功率焊接，薄端焊縫中心定功率焊接產(chǎn)生的密集型枝狀微裂紋被消除，零散分布不規(guī)則形狀小尺寸微孔；厚端不規(guī)則大尺寸氣孔及周圍沿晶界分布微裂紋被消除。連續(xù)變速度焊接，消除了定速度焊接薄端焊縫中心微裂紋，但焊縫中心分布有少量不規(guī)則形狀小尺寸微孔；焊縫中心圓整度較大的微孔及發(fā)散性擴(kuò)展微裂紋被消除，但是存在少量不規(guī)則形狀微孔。