2060铝锂合金电流辅助激光填丝焊接工艺分析

2060铝锂合金电流辅助激光填丝焊接工艺分析

安 娜， 张心怡， 杨武雄， 肖荣诗

(北京工业大学 激光工程研究院，北京 100124)

摘 要：为了改善2060铝锂合金激光填丝焊接的焊缝组织并进一步提高接头力学性能，使用了辅助激光填丝焊接的新方法. 文中采用光纤激光器焊接2 mm厚2060-T8铝锂合金薄板，通过填充焊丝引入直流电流，研究电流对焊缝成形、焊缝结晶组织和接头力学性能的影响. 结果表明，施加电流后，焊缝表面鱼鳞纹变得细密均匀，表明焊接过程更加稳定. 同时，焊缝上、下熔宽趋于一致，焊缝结晶组织细化，熔合线附近等轴细晶区宽度减小. 与无辅助电流相比，接头抗拉强度提高约5.8%.

关键词：铝锂合金；激光焊接；电流；焊缝成形；组织性能

0 序 言

铝锂合金具有密度低、弹性模量高、比强度和比刚度高以及良好的低温性能等特点，近年来受到航空工业领域的广泛关注. 采用铝锂合金替代传统高强铝合金，可以降低结构重量约10%～16%，提高刚度约15%～20%[1]. 目前第三代铝锂合金主要用于飞机蒙皮及壁板结构的制造[2,3]. 2060高强铝锂合金属于第三代新型铝锂合金，除保持了上述优异性能外，还具有各向异性低、损伤容限高及耐腐蚀性好等特点，已列为中国大飞机轻量化制造的备选材料.

激光焊接是一种先进的材料连接方法. 欧洲空中客车公司已率先实现了铝合金下机身整体壁板的激光焊接制造，实现了飞机机身以焊代铆的历史性突破[4,5].

铝锂合金和激光焊接固有的一些特点，铝锂合金的激光焊接存在过程稳定性差、焊缝气孔和焊接热裂纹等问题[5,6]. 激光深穿透焊时，气孔主要是氢气孔. 焊前清除表面氧化膜，可有效防止氢气孔的产生[6]. 采用填充焊丝能够防止裂纹的产生，却也带来焊缝成分分布不均匀等问题. 但是，由于铝锂合金是典型的沉淀强化型合金，激光焊接后焊缝区的时效不足与热影响区的过时效导致了明显的接头软化现象，使接头力学性能大幅下降，从而使焊缝成为接头最薄弱的环节[5,6]. 因此，探索新的方法调控焊缝组织性能成为高强铝锂合金激光焊接未来发展的主要方向之一[6]. 有研究发现，采用外加电流辅助激光焊接可以有效抑制熔池波动，同时使焊缝深宽比显著增加[7,8].也有报道指出，在电流作用下液态金属中会产生电磁搅拌现象，可细化晶粒，提高接头力学性能[9]. 文中采用高功率光纤激光器焊接2 mm厚2060铝锂合金薄板，通过填充5087(Al-Mg-Zr)焊丝引入外加电流，研究了电流对焊缝成形、结晶组织形态及接头力学性能的影响.

1 试验方法

试验材料为2060-T8铝锂合金薄板，试样尺寸为100 mm100 mm2 mm，填充焊丝为5087(Al-Mg-Zr)，焊丝直径为1.2 mm，化学成分如表1所示.

表1 2060Al-Li合金与5087Al-Mg-Zr焊丝化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical compositions of 2060 Al-Li alloy and 5087 Al-Mg-Zr filler wire

材料CuLiMgMnZnAgZrAl20603.4～4.20.6～0.90.6～1.10.10～0.500.30～0.450.10～0.500.04～0.18余量5087<><>

试验用激光器为IPG YLS-6000型光纤激光器，波长为1 060～1 070 nm，传输光纤直径为200 μm，准直镜焦距200 mm，聚焦镜焦距250 mm，聚焦光斑直径0.3 mm. 试验布置如图1所示，通过两个电极将填充焊丝与工件相连建立电流回路. 激光功率为3 kW，焊接速度为3 m/min，送丝速度为3 m/min，电流为0～160 A. 采用氩气作为保护气体，正保护气流量为15 L/min、背保护气流量为10 L/min.

图1 试验布置示意图

Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

焊后采用OLYMPUS SZ61型体视镜观察焊缝表面成形及接头宏观形貌. 制备金相试样并采用Keller试剂进行腐蚀，采用OLYMPUS GX51型金相显微镜观察焊缝结晶组织形态. 硬度与拉伸性能分别采用FM-300e型硬度仪与ZWICK-Z100型材料试验机进行测试，拉伸试样尺寸如图2所示.

图2 拉伸试样尺寸图(mm)

Fig.2 Specification of tensile test sample/mm

2 试验结果及分析

2.1 焊缝宏观形貌

焊缝表面鱼鳞纹可在一定程度上反映焊接过程稳定性. 研究表明，在激光功率3 kW，焊接速度与送丝速度3 m/min的工艺参数下可获得成形良好、无气孔、裂纹的焊接接头[10]. 由于2060铝锂合金裂纹敏感性较大，采用5087铝镁焊丝对2060铝锂合金进行焊接时，镁元素相对含量的增加使晶界处低熔点共晶的数量增加，利于及时愈合凝固过程中产生的裂纹. 在裂纹得到有效抑制的前提下，进一步探究提高接头力学性能的新途径. 图3为该工艺参数条件下不同电流时焊缝表面成形.电流小于100 A时，焊缝表面鱼鳞纹粗大，波动明显；但当电流增加到160 A时，焊缝表面鱼鳞纹变得细密均匀. 由此可见，外加电流产生的电磁力增加了熔池的抗干扰能力，抑制了熔池振荡，提高了焊接过程稳定性.

图3 不同电流下焊缝表面成形

Fig.3 Appearances of weld under different electrical current conditions

图4为不同电流时的焊缝横截面. 焊缝横截面呈“X”形，将焊缝横截面宽度最窄处定义为“腰部”. 图5，图6为电流对焊缝熔宽的影响. 随着电流的增加，上表面熔宽逐渐减小，下表面熔宽逐渐增大，上、下表面熔宽趋于一致，其原因是熔池内电流密度分布极不均匀，产生一个由高电流密度区指向低电流密度区的电磁推力，驱使熔池前沿液态金属向下流动，导致熔池内热量的重新分配[7].

图4 不同电流时的焊缝横截面

Fig.4 Cross-sections of weld under different electrical current conditions

2.2 焊缝结晶组织形貌

图7所示为两种条件下焊缝中心结晶组织形貌，为等轴树枝晶. 无辅助电流时，晶粒平均尺寸约为9.39 μm；施加160 A电流后，晶粒平均尺寸约为7.59 μm. 这可能是由于电磁搅拌作用，使结晶前沿的枝晶破碎，增加了非均匀形核质点，从而使晶粒得到一定程度的细化.

图5 电流对焊缝上、下表面熔宽的影响

Fig.5 Weld widths of upper side (US) and bottom side (BS) under different electrical current conditions

图6 电流对焊缝上、下表面熔宽比的影响

Fig.6 Ratio of US to BS weld width under different electrical current conditions

图7 不同电流下焊缝中心金相组织

Fig.7 Equiaxed dendrite in weld centre under different electrical current conditions

熔合区附近存在一个等轴细晶区(EQZ)是铝锂合金熔焊典型的微观组织特征[10]. 图8所示是两种条件下焊缝腰部等轴细晶区的组织形态. 无电流条件下，等轴细晶区宽度约为71.8 μm. 施加160 A电流后，等轴细晶区宽度减小到31.1 μm. 铝锂合金激光焊接时，在熔合区附近，由于温度低且存留时间短，母材中原有的大量沉淀强化相(如Al3Zr)来不及熔解，成为非均匀形核质点，从而形成具有一定宽度的等轴细晶区. 电流的引入增强了熔池流动，强化了传热和传质效应，加速了母材中原有的沉淀强化相的迁移和熔解，从而减小了等轴细晶区宽度.

图8 不同电流下焊缝腰部等轴细晶区金相组织

Fig.8 Equiaxed grain zone (EQZ) at waist of weld under different electrical current conditions

2.3 接头力学性能

焊接接头横截面腰部沿水平方向的显微硬度分布如图9所示. 未加电流时，焊缝区平均显微硬度为79.9 HV0.1. 施加160 A电流后，接头显微硬度分布与未施加电流条件下大体一致，但焊缝中心等轴树枝晶区硬度略有上升，这与焊缝组织的细化有关.

不同电流下接头抗拉强度如表2所示. 接头均在焊缝位置断裂. 未施加电流时，接头平均抗拉强度为304.1 MPa. 施加160 A电流后，接头平均抗拉强度为321.9 MPa，提高约5.8%. 电流对断后伸长率的影响不明显. 接头抗拉强度的提高可能缘于焊缝结晶组织的细化.

图9 不同电流下接头显微硬度分布

Fig.9 Micro-hardness profile under different electrical current conditions

表2 不同电流下接头拉伸性能

Table 2 Mechanical properties of welded joints under different electrical current conditions

电流I/A抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)300.90.7309.00.70305.30.7300.90.7304.50.7324.70.7316.50.7160318.90.7325.00.7324.20.7

3 结 论

(1) 铝锂合金薄板激光填丝焊接时，通过填充焊丝引入电流，可以改善焊接过程稳定性和焊缝成形的均匀性.

(2) 铝锂合金薄板激光填丝焊接时，通过填充焊丝引入电流，可以细化焊缝结晶组织，减小等轴细晶区宽度.

(3) 2060-T8铝锂合金薄板激光焊接时，通过填充焊丝引入电流，可以提高接头抗拉性能. 与无辅助电流相比，接头抗拉强度可提高5.8%.

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收稿日期：2015-03-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175008)

中图分类号：TN 249; TG 456.7

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2017)03-0083-04

作者简介：安 娜，女，1990年出生，硕士研究生. 主要从事铝锂合金激光加工等方面的研究. Email: [e-mail]

通讯作者：肖荣诗，男，教授，博士研究生导师. Email: [e-mail]