2219-T651 鋁合金激光擺動焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能

劉軍，孟憲國，李晨曦，李雙吉，孫澤瑞，劉宏

(1.西安交通大學(xué),金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710049；2.西安航天發(fā)動機(jī)有限公司,西安,710100)

0 序言

2219 屬于Al-Cu 系析出強(qiáng)化型鋁合金，具有良好的斷裂韌性和優(yōu)異的低溫性能，在焊接過程中具有較低的裂紋敏感性，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域主體承載結(jié)構(gòu)，而焊接加工質(zhì)量往往直接決定構(gòu)件的使用壽命和服役安全.

常用于2219 鋁合金的熔化焊方法包括激光焊[1-3]、電子束焊[4]和鎢極惰性氣體保護(hù)焊[5-7]，其中激光焊能量集中、熱輸入小和生產(chǎn)效率高，在生產(chǎn)制造中展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景.在熔化焊的熱作用下，接頭微觀組織的弱化常常引起力學(xué)性能的惡化，加之激光焊技術(shù)更易產(chǎn)生氣孔缺陷.為了防止鋁合金焊接缺陷并改善接頭性能，激光擺動焊接工藝可以擴(kuò)大間隙適應(yīng)性、抑制氣孔和凝固裂紋產(chǎn)生和改變晶粒生長行為[8-11].Wang 等人[9]采用激光線性、圓形和無窮擺動工藝對5A06 鋁合金焊接進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與非擺動焊接相比，擺動工藝會降低焊縫的深寬比，在降低接頭氣孔率的同時提高抗拉強(qiáng)度.Wang 等人[12]對比研究了激光無擺動、橫向擺動、縱向擺動和圓形擺動對6061 焊縫晶粒形成的影響機(jī)制，結(jié)果表明，激光擺動焊接通過攪拌作用改善了焊縫形貌、促進(jìn)熔化區(qū)內(nèi)等軸晶的形成，其中圓形擺動焊縫內(nèi)等軸晶數(shù)量最多，但不同擺動工藝對接頭抗拉強(qiáng)度沒有顯著影響.Wu 等人[13]對1060 鋁合金激光擺動焊接進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，擺動焊接可以改變激光束在匙孔中的作用位置和匙孔開口尺寸使匙孔不易塌陷和閉合，有利于降低匙孔型氣孔的大小和數(shù)量.然而，目前關(guān)于2219 鋁合金激光擺動焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能的研究報(bào)道較少.

在不同擺動頻率和幅度下開展了2219-T651鋁合金激光擺動焊接試驗(yàn)，分析了擺動工藝參數(shù)對焊縫氣孔率、宏觀成形、微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，該研究旨在推動擺動激光焊接技術(shù)在航空航天領(lǐng)域鋁合金承載結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用尺寸為100 mm × 50 mm × 6 mm 的2219-T651 鋁合金試板，其化學(xué)成分如表1 所示.2219-T651 鋁合金的抗拉強(qiáng)度為458 MPa.試驗(yàn)前用砂紙打磨去除表面氧化層，隨后用乙醇擦洗清理表面.

表1 2219-T651 鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 2219-T651 Al alloy

使用IPGYLS-4 000 型光纖激光器并通過Precitec 型擺動頭進(jìn)行激光擺動焊接，為防止氧化，采用純度為99.99%的氬氣進(jìn)行三路(主吹、正面和背面)氣體保護(hù).激光離焦量為+3 mm 并垂直作用于試板表面，激光功率為4 kW，焊接速度為3 m/min，光束垂直于焊接方向橫向擺動，擺動頻率為0～ 400 Hz，擺動幅度為0～ 2.5 mm.焊接完成后清理試樣表面，使用MG325 型X 射線探傷機(jī)進(jìn)行氣孔探測，隨后使用Image-Pro Plus 6.0 軟件對氣孔尺寸和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，基于氣孔在焊縫中的面積占比計(jì)算得到焊縫氣孔率.

用線切割切取金相試樣，打磨拋光后用Keller 試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1.0 mL HF+95 mL H2O)進(jìn)行腐蝕，用Nikon ECLIPSE MA200 型倒置光學(xué)顯微鏡和HITACHI SU6600 型掃描電子顯微鏡觀察宏觀和微觀組織，用X 射線能譜儀進(jìn)行元素分析.使用HXD-1000 型顯微維氏硬度計(jì)對接頭進(jìn)行硬度測定，測試線距試樣上表面1 mm，壓痕間隔0.2 mm，加載載荷0.49 N，保載時間10 s.垂直焊接方向切取拉伸試樣，尺寸如圖1所示，試樣厚度為2 mm，使用INSTRON 5982 型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min.

圖1 拉伸試樣尺寸示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen size

2 結(jié)果與討論

2.1 擺動參數(shù)對焊縫氣孔率和宏觀成形的影響

表2 和圖2 為不同擺動頻率和幅度下接頭的宏觀成形情況和X 光氣孔檢測結(jié)果.當(dāng)擺動幅度為1.5 mm、擺動頻率從0 Hz 升高至50 Hz 時，熔寬變化不大；當(dāng)擺動頻率繼續(xù)增大后，熔寬顯著增大，隨后幾乎不變，而熔深隨擺動頻率的升高逐漸減小.當(dāng)擺動頻率為150 Hz 時，熔寬隨擺動幅度的增大逐漸增大；當(dāng)擺動幅度從0 mm 增大至0.5 mm時，熔深變化不大，繼續(xù)增大擺動幅度，熔深顯著減小.

圖2 焊縫的宏觀形貌和X 光氣孔檢測結(jié)果Fig.2 Macroscopic morphology and X-ray porosity test results of the welds.(a) without oscillating frequency and amplitude;(b) oscillating frequency 50 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(c) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(d) oscillating frequency 400 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(e) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 0.5 mm;(f) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 2.5 mm

表2 不同擺動頻率和幅度下接頭宏觀成形Table 2 Formation of joints under different oscillating frequency and amplitude

圖3 為不同擺動頻率和幅度下焊縫的氣孔率.無擺動焊接時焊縫氣孔率為8.81%，擺動焊接時焊縫的氣孔率低于無擺動焊接時焊縫的氣孔率.當(dāng)擺動幅度為1.5 mm 時，隨著擺動頻率的提高，氣孔率先降低至5.56%(擺動頻率150 Hz)，之后逐漸升高至7.29%(擺動頻率400 Hz).高頻橫向擺動時，匙孔更細(xì)且形狀更不規(guī)則，這可能會導(dǎo)致匙孔更不穩(wěn)定，生成更多氣泡[14].當(dāng)擺動頻率為150 Hz 時，隨著擺動幅度的提高，氣孔率不斷下降，當(dāng)擺動幅度為2.5 mm 時，氣孔率降低至1.66%.隨著擺動幅度的增大，激光能量作用區(qū)域增加峰值降低，匙孔穩(wěn)定性提升；同時較寬的擺動幅度下熔池更寬更淺，有助于氣泡的逃逸[15-16].此外，由圖3 對比可知，與擺動頻率相比，擺動幅度的增加顯著抑制了焊縫氣孔.

圖3 不同擺動頻率和幅度下焊縫氣孔率Fig.3 Weld porosity under different oscillating frequency and amplitude.(a) oscillating amplitude1.5 mm;(b) oscillating frequency 150 Hz

2.2 擺動參數(shù)對接頭微觀組織的影響

圖4 為無擺動焊接接頭的微觀組織.接頭可大致分為熔化區(qū)(fusion zone,FZ)、熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)和母材(base metal,BM).與熱影響區(qū)相比，熔化區(qū)主要由尺寸細(xì)小的等軸晶組成.表3 為無擺動焊接接頭能譜分析結(jié)果，可以看出，熔化區(qū)深色區(qū)域?yàn)棣?Al)基體，白色部分為α(Al)+θ(Al2Cu)共晶相，主要分布在枝晶間和晶界.相比于熱影響區(qū)和母材，由于熔化區(qū)含Cu 共晶相大量出現(xiàn)，因此熔化區(qū)α(Al)基體中Cu 元素含量較少.

圖4 無擺動焊接接頭的微觀組織Fig.4 Microstructure of the non-oscillating welded joint.(a) integral joint;(b) weld center;(c) HAZ;(d) BM

表3 無擺動焊接接頭的能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 EDS results of the non-oscillating welded joint

圖5 為不同擺動頻率和幅度下焊縫中心的微觀組織.當(dāng)擺動頻率為150 Hz、擺動幅度為0.5 mm時，焊縫中心晶粒尺寸和無擺動時相差不大.當(dāng)擺動幅度為1.5 mm 時，隨著擺動頻率的提高，晶粒尺寸有所細(xì)化.當(dāng)擺動頻率為150 Hz 時，隨著擺動幅度提高到1.5 mm 和2.5 mm 時，在晶粒尺寸細(xì)化方面表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象.

圖5 不同擺動頻率和幅度下焊縫中心微觀組織Fig.5 Microstructure of the welds center under different oscillating frequency and amplitude.(a) without oscillating frequency and amplitude;(b) oscillating frequency 50 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(c) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(d) oscillating frequency 400 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(e)oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 0.5 mm;(f) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 2.5 mm

2.3 擺動參數(shù)對接頭顯微硬度的影響

圖6 為不同擺動頻率和幅度下接頭的顯微硬度.與母材相比，熔化區(qū)和熱影響區(qū)發(fā)生軟化，熔化區(qū)硬度值最低，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，熱影響區(qū)硬度先迅速升高，且在一定范圍內(nèi)變化不大，然后逐漸升高至母材水平.母材的強(qiáng)化機(jī)制為θ＇沉淀強(qiáng)化，在遠(yuǎn)離焊縫的熱影響區(qū)θ＇部分溶解且部分粗化，越靠近焊縫這一現(xiàn)象加劇，硬度逐漸降低，在靠近焊縫的熱影響區(qū)θ＇完全溶解，硬度曲線出現(xiàn)“平臺”，該部分強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化，其效果弱于沉淀強(qiáng)化，而熔化區(qū)因發(fā)生嚴(yán)重的Cu 元素偏析，固溶強(qiáng)化效果被顯著削弱，硬度最低[17-18].

圖6 不同擺動頻率和幅度下接頭的顯微硬度Fig.6 Microhardness of the joints under different oscillating frequency and amplitude.(a) without oscillating frequency and amplitude;(b) oscillating frequency 50 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(c) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(d) oscillating frequency 400 Hz，oscillating amplitude1.5 mm;(e) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 0.5 mm;(f) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 2.5 mm

無擺動焊接接頭熔化區(qū)的平均硬度約為79.0 HV，當(dāng)擺動頻率為150 Hz、擺動幅度為0.5 mm時熔化區(qū)平均硬度為80.5 HV，其它擺動焊接接頭熔化區(qū)平均硬度介于83.2～ 84.2 HV 之間.這可能聯(lián)系于無擺動與擺動參數(shù)(擺動頻率150 Hz，擺動幅度0.5 mm)下焊縫中心晶粒尺寸相差不大，而其它擺動參數(shù)下焊縫中心晶粒更為細(xì)小.

2.4 擺動參數(shù)對接頭抗拉強(qiáng)度的影響

圖7 為不同擺動頻率和幅度下接頭的抗拉強(qiáng)度.未擺動焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為256 MPa，約為母材強(qiáng)度的55.9%.當(dāng)擺動幅度為1.5 mm 時，隨著擺動頻率的升高接頭的抗拉強(qiáng)度先升高后降低；當(dāng)擺動頻率為150 Hz 時，隨著擺動幅度的升高，接頭的抗拉強(qiáng)度不斷升高；當(dāng)擺動幅度為2.5 mm 時，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到318 MPa，約為母材強(qiáng)度的69.4%.焊接接頭拉伸后全部斷裂在熔化區(qū)，表明熔化區(qū)為接頭最薄弱的區(qū)域，這與熔化區(qū)硬度值最低的結(jié)果相一致.

圖7 不同擺動頻率和幅度下接頭的抗拉強(qiáng)度Fig.7 Tensile strength of the joints under different oscillating frequency and amplitude.(a) oscillating amplitude 1.5 mm;(b) oscillating frequency 150 Hz

圖8 為不同擺動頻率和幅度下接頭斷口的宏觀形貌.在接頭斷口的部分區(qū)域出現(xiàn)了大小不均的孔洞，孔洞來源于焊接過程中產(chǎn)生的氣孔缺陷.為了更好地建立接頭抗拉強(qiáng)度與氣孔缺陷的內(nèi)在聯(lián)系，對接頭斷口的孔洞面積占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖9 所示.當(dāng)擺動幅度為1.5 mm 時，斷口孔洞面積占比隨擺動頻率的升高先減小后增大；當(dāng)擺動頻率為150 Hz 時，斷口孔洞面積占比隨擺動幅度升高而降低.圖9c 為接頭抗拉強(qiáng)度與斷口孔洞面積占比的對應(yīng)關(guān)系.接頭抗拉強(qiáng)度與斷口孔洞面積相關(guān)性很強(qiáng)，表現(xiàn)為線性負(fù)相關(guān)關(guān)系.焊縫中的氣孔將直接對接頭抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響，當(dāng)接頭中的氣孔率越高時，焊縫的有效承載面積越小，接頭的抗拉強(qiáng)度越低.此外，基于線性擬合結(jié)果，當(dāng)焊縫氣孔率為0 時，接頭抗拉強(qiáng)度的預(yù)測值為326 MPa，但仍與母材抗拉強(qiáng)度有較大差異.這是由于相比于母材的沉淀強(qiáng)化作用，熔化區(qū)的固溶強(qiáng)化效果較弱，加之Cu 元素存在嚴(yán)重偏析.考慮到不同擺動頻率和幅度下焊縫的顯微硬度差別不大，因此可以得出焊態(tài)接頭的抗拉強(qiáng)度主要受制于焊縫氣孔率.

圖8 不同擺動頻率和幅度下接頭的斷口宏觀形貌Fig.8 Fracture macroscopic morphology of the joints under different oscillating frequency and amplitude.(a) without oscillating frequency and amplitude;(b) oscillating frequency 50 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(c) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude1.5 mm;(d) oscillating frequency 400 Hz,oscillating amplitude 1.5 mm;(e) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 0.5 mm;(f) oscillating frequency 150 Hz,oscillating amplitude 2.5 mm

圖9 不同擺動頻率和幅度下接頭的斷口孔洞面積占比及與抗拉強(qiáng)度關(guān)系Fig.9 Ratio of fracture hole area of the joints under different oscillating frequency and amplitude as well as corresponding relationship to the tensile strength.(a) oscillating amplitude 1.5 mm;(b) oscillating frequency 150 Hz;(c) relationship between ratio of fracture hole area and tensile strength

3 結(jié)論

(1) 激光擺動焊接可以降低焊縫氣孔率，與擺動頻率相比，擺動幅度的增加顯著抑制了焊縫氣孔的產(chǎn)生.當(dāng)激光功率為4 kW、焊接速度為3 m/min、擺動頻率為150 Hz 和擺動幅度為2.5 mm 時，焊縫氣孔率從無擺動的8.81%降低到1.66%.

(2) 接頭熔化區(qū)由α(Al)基體和分布在枝晶間和晶界的α(Al)+θ(Al2Cu)共晶相組成，銅的偏析導(dǎo)致基體中銅含量較少.無擺動與擺動頻率為150 Hz、擺動幅度為0.5 mm 時焊縫中心晶粒尺寸相差不大.當(dāng)擺動幅度為1.5 mm 時，晶粒尺寸隨著擺動頻率的提高有所細(xì)化；當(dāng)擺動頻率為150 Hz，擺動幅度提高到1.5 和2.5 mm 時，同樣存在晶粒細(xì)化現(xiàn)象.

(3) 與母材相比，熱影響區(qū)和熔化區(qū)發(fā)生軟化，靠近焊縫熱影響區(qū)硬度逐漸降低，隨后硬度曲線出現(xiàn)“平臺”，熔化區(qū)因發(fā)生嚴(yán)重的Cu 元素偏析，固溶強(qiáng)化效果被顯著削弱，硬度最低.受焊縫晶粒尺寸變化的影響，部分?jǐn)[動參數(shù)下焊縫的硬度略微升高.

(4) 焊接接頭全部斷裂在熔化區(qū)，無擺動焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為256 MPa，約為母材強(qiáng)度的55.9%，當(dāng)擺動頻率為150 Hz、擺動幅度為2.5 mm時，接頭的抗拉強(qiáng)度高達(dá)318 MPa，約為母材強(qiáng)度的69.4%.接頭的抗拉強(qiáng)度與斷口孔洞面積占比為線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，預(yù)測無氣孔缺陷的接頭的抗拉強(qiáng)度為326 MPa.考慮到不同擺動頻率和幅度下焊縫的顯微硬度差別不大，焊縫氣孔率成為焊態(tài)接頭的抗拉強(qiáng)度的主要影響因素.