陳 超 陳芙蓉 張慧婧

(內蒙古工業(yè)大學 材料與工程學院，呼和浩特 010051)

?

熱輸入對7A52鋁合金光纖激光焊接頭組織及性能的影響

陳 超 陳芙蓉 張慧婧

(內蒙古工業(yè)大學 材料與工程學院，呼和浩特 010051)

采用IPG公司生產的YLS-6000光纖激光器，對6 mm厚熱軋態(tài)7A52鋁合金進行焊接，研究不同焊接參數對接頭組織及性能的影響。結果表明，焊縫中心為均勻分布的“雪花”狀等軸晶，組織為α-Al+T(Mg3Zn3Al2)，與母材相同，晶粒大小隨熱輸入的增加而長大；隨熱輸入增加，Mg,Zn元素的燒損逐漸加重；相同熱輸入下，高功率、高焊速能夠降低Mg,Zn元素的燒損；母材硬度最高約為110 HV左右，焊縫中心硬度最低，硬度從焊縫中心向兩側母材呈“U”型分布；適當增大焊接熱輸入，接頭的沖擊吸收能量和抗拉強度均有所提高；在相同熱輸入情況下，高功率、高焊速的接頭沖擊性能降低，抗拉強度有所提高，最大抗拉強度為341 MPa，約為母材的69.8%，7A52鋁合金光纖激光焊接頭拉伸斷口形貌呈韌-脆混合斷裂。

光纖激光焊 顯微組織 力學性能

0 序 言

7A52鋁合金是我國自行研發(fā)的Al-Mg-Zn中高強裝甲鋁合金，作為國防工業(yè)的重要材料，具有高比強度和比剛度、耐腐蝕性能好、無磁性、低溫性能好等特點，在輕型戰(zhàn)車、戰(zhàn)艦、航空航天器中應用最為廣泛[1]。7A52鋁合金焊接方法主要有TIG焊、MIG焊、攪拌摩擦焊(FSW)、電子束焊接、等離子弧焊、激光復合焊等[2]。目前7A52鋁合金高能束焊接主要在電子束焊接方面，翟熙偉、陳芙蓉等人[3-4]對7A52鋁合金電子束焊接進行了研究，焊縫組織為α-Al + T(Mg3Zn3Al2)與母材相同，且鎂、鋅元素燒損嚴重導致焊縫中心硬度降低，抗拉強度為母材的 87%，焊縫維氏硬度最低值為母材的61%，焊縫沖擊吸收能量為母材的95.4%，接頭獲得了良好性能。

光纖激光焊焊接方法研究剛剛起步，錢紅麗等人[5]對4 mm厚7A52鋁合金的組織性能進行了研究。

但熱輸入對7A52鋁合金光纖激光焊接頭組織與性能的研究鮮有報導。因此，文中將通過金相組織觀察、焊接接頭成分分析、顯微硬度試驗、焊接接頭抗拉強度及沖擊吸收能量等力學性能并對斷口形貌進行分析，對7A52鋁合金焊接接頭組織性能受熱輸入的影響變化進行了較為詳細的說明，為今后7A52鋁合金光纖激光焊的進一步研究提供了一定的理論基礎。

1 試驗材料與方法

試驗采用7A52鋁合金，規(guī)格為100 mm×80 mm×6 mm的板材，化學成分見表1。

采用IPG公司生產的YLS-6000光纖激光器，對熱輸入為120 J/mm和熱輸入為143.3 J/mm的試件進行對焊試驗，具體焊接參數見表2。

表1 7A52鋁合金的化學成分(質量分數，%)

表2 7A52鋁合金光纖激光焊參數

利用德國Axio lmager.A1m型蔡司顯微鏡觀察焊接接頭微觀組織；采用能譜分析，對焊縫中心附近的元素含量進行測量分析；采用上海泰明公司HXD-1000TM型維氏硬度計從焊縫中心向兩側母材測量硬度，加載 100 g，加載時間 15 s，間隔0.2 mm；拉伸試驗在WDW-200微控電子萬能試驗機上完成，試樣制備參照 GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，具體試件尺寸如圖1所示；在JBH-300示波沖擊試驗機上，采用 V 型缺口沖擊試樣，試樣制備標準按照 GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》。

圖1 拉伸試件尺寸

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織觀察

圖2為三組不同焊接參數下的7A52鋁合金焊接接頭金相組織。圖2a～2f分別是1號試樣、2號試樣、3號試樣的焊縫中心及熔合線附近的金相組織。

由圖2可以看出焊縫中心均勻分布著“雪花”狀等軸晶，這主要是由于焊縫中心熱循環(huán)慢，有較小的溫度梯度、散熱慢，有利于晶粒的充分長大，故此等軸晶在焊縫中心均沿散熱方向長大；熔合線附近形成了一定范圍的細晶區(qū)，細晶區(qū)與焊縫中心之間晶粒呈柱狀晶分布且生長方向朝焊縫中心生長，這主要是由于鋁合金熱導率大，焊接過程中光纖激光器提供的能量快速流失，近熔合線附近的晶粒來不及長大，形成了細小的晶粒，又因為焊縫中心的熱量散失相對較慢，因此柱狀晶朝焊縫中心散熱方向生長。

7A52鋁合金在高能束焊接過程中總是伴隨著Mg,Zn元素燒損，表3為能譜分析測得的三組試件焊縫中心的原子含量表。對照Al-Zn-Mg系合金平衡圖，可知三者焊縫中心組織均為α-Al+T(Mg3Zn3Al2)與母材相同。從表2可以看出三者Mg,Zn元素含量均呈不同程度燒損，其中2號試樣的燒損程度最低，3號試樣的燒損程度最高。在相同熱輸入的情況下高功率高焊速的2號試樣的Mg,Zn元素的燒損情況要好于1號試樣，這是因為鋁合金熱導率大在高速焊接過程中接頭的散熱速度得到加快所以降低了Mg,Zn元素燒損程度；當增大熱輸入(3號試樣)以后，由于焊縫中心熱量相對更加集中且散熱速度慢，所以此時的Mg,Zn元素燒損情況最為嚴重；從表中還可以發(fā)現Zn元素的燒損情況要大于Mg元素的燒損情況，這主要是由于Zn元素的沸點要低于Mg元素的沸點所致。

圖2 金相組織照片

元素MgZn其它元素母材2.615.5691.831號3.002.7894.252號3.302.9093.803號2.742.6094.66

2.2 顯微硬度試驗

圖3為三組焊接接頭的顯微硬度曲線。從圖中可以看出三組試件的最低硬度值均出現在焊縫中心處，硬度值沿焊縫中心向兩側母材呈“U”型分布，這主要是因為焊縫中心向兩側呈現粗大的等軸晶—柱狀晶—細晶區(qū)等原因，與上述金相組織觀察相互驗證。

對比1號、2號試件即在相同熱輸入條件下，可以發(fā)現兩者的焊縫中心硬度值并未發(fā)生明顯變化；增大熱輸入后即3號試件，可以發(fā)現焊縫中心硬度值明顯降低(可知三者中3號試樣焊縫中心的等軸晶粒最大)，但由于鋁合金熱導率大、散熱快，導致三者熔合線附近的晶粒生長狀態(tài)相近，所以這一范圍內的硬度值基本相當。

圖3 接頭顯微硬度分布

綜上所述，并結合Mg,Zn元素燒損情況分析可知：熱輸入對焊接接頭焊縫中心處的硬度值影響很大；同時Mg,Zn元素在7A52鋁合金中主要起強化作用，元素燒損越嚴重接頭硬度越低。

2.3 沖擊試驗

對焊后3組試件進行沖擊試驗，具體結果見表4?？芍跓彷斎霝?20 J/mm時，即1號試件的平均沖擊吸收能量為4.84 J，大于2號試件的平均沖擊吸收能量為4.09 J；當熱輸入提高到143.3 J/mm時，即3號試樣，其平均沖擊吸收能量為5.38 J，與2號試件相比較單純的增大功率以后焊接接頭的沖擊吸收能量提高了1.29 J。

根據以上數據可知在相同熱輸入情況下，高功率、高焊速下的焊接接頭沖擊性能發(fā)生小幅度降低；再適當增大焊接熱輸入后，接頭的沖擊吸收能量明顯提高。

表4 7A52鋁合金沖擊試驗數據

2.4 拉伸試驗

表5為7A52鋁合金光纖激光焊接頭抗拉強度?？芍?號試樣焊接接頭的平均抗拉強度最大為337 MPa，7A52光纖激光焊最大抗拉強度為341 MPa，約占母材的69.8%；對比1號試樣與2號試樣可以發(fā)現在相同熱輸入時，高功率、高速焊能夠使焊接接頭抗拉強度得到一定提高；1號試樣的平均抗拉強度為332 MPa，3號試樣的平均抗拉強度為336 MPa，由此可知在其他參數不變時，功率適當增加會提高接頭抗拉強度。

圖4為2號試件的拉伸斷口微觀形貌。從圖中可以發(fā)現存在深淺、大小不一的韌窩，同時斷裂前并未發(fā)生明顯的塑性流動，即為韌-脆混合斷裂。

表5 7A52鋁合金拉伸試驗數據

圖4 拉伸斷口形貌

3 結 論

(1)7A52鋁合金光纖激光焊，焊縫中心晶粒為粗大的“雪花”狀等軸晶；沿焊縫中心到兩側融合線，晶粒分布依次為等軸晶→柱狀晶→細晶區(qū)。

(2)焊縫中心組織為α-Al+T(Mg3Zn3Al2)與母材相同；Mg,Zn元素的燒損隨焊接熱輸入的增加而增大；在相同熱輸入時，選擇高功率、高焊速施焊可以降低Mg,Zn元素的燒損。

(3)焊接接頭硬度沿焊縫中心向兩側呈“U”型分布；母材硬度值約為110 HV左右，焊縫中心硬度值最低；焊縫中心硬度值隨熱輸入增加，明顯降低。

(4)適當增大焊接熱輸入，接頭的沖擊吸收能量和抗拉強度均有所提高；在相同熱輸入情況下，高功率、高焊速的接頭沖擊性能減小，抗拉強度得到一定提高，最大抗拉強度為341.05 MPa，約占母材的69.8%；7A52鋁合金光纖激光焊接頭拉伸斷口形貌呈韌-脆混合斷裂。

[1] 田福泉,李念奎,崔建忠.超高強鋁合金強韌化的發(fā)展過程及方向[J].輕合金加工技術,2005, 133(12):1-9.

[2] Huang J W, Yin Z B. Microstructure and properties of 7A52 Al alloy welded joint[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008(4):12-13.

[3] 翟熙偉, 陳芙蓉, 畢良艷,等. 7A52鋁合金電子束焊接參數及性能[J]. 焊接學報, 2012, 33(8):73-76.

[4] 畢良艷, 陳芙蓉, 翟熙偉. 7A52鋁合金電子束焊接頭的組織與性能[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(7):151-153.

[5] 錢紅麗, 周 琦, 陳 俐,等. 7A52鋁合金光纖激光焊接頭組織性能分析[J]. 焊接, 2014(9):49-52.

2016-03-21

內蒙古青年科技英才領軍人物基金項目(103-841025)

TG456.3

陳 超，1990年出生，碩士研究生。主要從事鋁合金激光焊研究。