5A06+铝合金的激光填丝焊接头组织与性能

ｌａｓｅｒ ｐｏｗｅｒ Ｐ／ｋＷ ３．Ｏ
ｗｉｒｅ ｆｅｅｄ ｓｐｅｅｄ
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ｗｉｒｅ ｆｅｅｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
ｗｉｒｅ ｆｅｅｄ∞～ｇ”ｌｅ／“（、。７）
６０
焊前对夹具的垫板、压板以及试板均用丙酮进行清 洗，表面氧化膜采用钢丝刷清除干净。为防止焊缝背部 的氧化及焊透后熔融态销合会的下漏，焊接时不仅在正 面采用流量为１５ＩＺｍｉｎ的氩气４５０侧吹保护，而且在焊 缝背面通一流量为１０Ｌ／ｍｉｎ的氩气底吹气保护。
第３４卷第１期 ２０１０年１月
激 光技 术
ＬＡＳＥＲ ＴＥＣＨＮＯＩ．ＯＧＹ
Ｖ０１．３４，Ｎｏ．Ｉ Ｊａｎｕａｒｙ，２０１０
文章编号：１００１·３８０６（２０１０）０１－００３４—０３
５Ａ０６铝合金的激光填丝焊接头组织与性能
余阳春，王春明４，余圣甫
（华中科技大学材料科学与工程学院，武汉４３００７４）
Ｆｉｇ．３ Ｍｉ。。ｇｒａｐｈ ｏｆ ｔｈ。ｆｒａ。ｔ。。
。．。一ｂ。。ｔａｌ ｂ．ｄ－－。。ｌｄ。ｄ ｊｏｉ。ｔ 由图３可以看出，５Ａ０６铝合金基材和焊接接头的 拉伸断口上均分布着许多大小均匀的韧窝，表明二者 均为塑性断裂，但基材断口较焊接接头断口的韧窝更 均匀，与其具有更高的延伸率相对应，焊接接头的延伸
ＹＵ Ｙａｎｇ—ｃｈｕｎ，ＷＡＮＧ Ｃｈｕｎ—ｍｉｎｇ，ＹＵ Ｓｈｅｎｇ－ｆｕ （Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ。Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｂｕｔｔ ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ５Ａ０６，ｔｈｅ ｂｕｔｔ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ２ｍｍ ｔｈｉｃｋ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ５Ａ０６ ｓｈｅｅｔｓ ｗａｓ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ＳＡｌ·Ｍ９５ ｗｉｒｅ ａｎｄ ｗｅｌｄｅｄ ｗｉｔｈ ａ ３ｋＷ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ．Ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅａｍ ｗｅｒｅ ａｌｍｏｓｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｓ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｉｔｓ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｆｉｎｅ，ｄｅｎｓｅ ｃｏｌｕｍｎａｒ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｎｅａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｆｕｓｉｏｎ ａｒｅａ ａｎｄ ｆｉｎｅ ｄｅｎｄｒｉｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ．ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ ｗａｇ ｏｎｌｙ ｆｒｏｍ ５０１．Ｌｍ ｔｏ １００１ｘｍ．Ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ｕｐ ｔｏ ９３％ａｎｄ ５８％ｏｆ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｍｅｔａｌ．Ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｊｏｉｎｔ ｗａｓ ｂｒｏｋｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ，ｔｈｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ５ Ａ０６ ａｌｌｏｙ ａｎｄ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ｈｙｂｒｉｄ ｔｏｕｇｈ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｔｅａｒ ｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｕｔｔ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｆｉｌｌｅｒ ｗｉｒｅ ｃａｎ ｅｒａｓｅ ｔｈｅ ｆａｌｌｉｎｇ，ｕｎｄｅｒｃｕｔ ａｎｄ ｓａｇ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙ ｗｉｔｈ ｌａｓｅｒ ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ ｗｅｌｄｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｊｏｉｎｔｓ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａ ｌｏｔ．
５Ａ０６铝合金焊接接头的抗拉强度见表３。可见，
激光填丝焊接头的３个试样的抗托强度及延伸率值比
较接近，平均达到３３１．０８ＭＰａ和１２．６２％，分别是母材
的９３．７％和５８％。
图２为接头拉伸试样断裂位置图，可知断裂位置为
热影响区，为进一步对其断裂特性进行分析，分别对接
头和母材的拉伸断口进行了扫描断口观察（见图３）。
性的细小轧制组织（见图４ｄ）；激光填丝焊接头的热影
响区晶粒有一定程度的粗化，但该区宽度仅为５０／ｘｍ 左右（见图４ａ），较Ｍ１Ｇ焊及激光．ＭＩＧ复合焊焊缝热 影响区更窄，靠近熔合线附近的焊缝组织为细小致密 的方向垂直于熔合线的柱状晶（见图４ａ），而在离熔合 线稍远的地方，焊缝组织开始由单一方向的柱状组织 向等轴枝晶组织过渡（见图４ｂ），在焊缝中心以细小的 等轴枝晶为主（见图４ｃ）；综上观察可得，由于激光焊 接的高能量密度特性，焊接速度快（４ｍ／ｍｉｎ）热输入小 （约为４５ｋＪ／ｍ），冷却速率高，所以形成的焊缝接头组 织细小致密，热影响区粗化不明显，没有明显的软化 区，保证了接头具有良好的力学性能，这也是其抗拉强 度高达基材的９３．７％的原因；但由于热循环作用，在 热影响区中，基材中的强化粒子的析出和晶粒粗化导 致其仍是接头最脆弱部分，拉伸试验中接头断于热影 响区也证明了这一点。 ２．３ ５Ａ０６铝合金焊接接头成分扫描分析
万方数据
第３４卷第１期
余阳春５Ａ０６铝合金的激光填丝焊接头组织与性能
３５
５Ａ０６铝合金进行了激光填丝焊接，并对焊接接头的显 金及焊丝的主要化学成分见表１。保护气体为纯度不
微组织和力学性能进行了研究。
小于９９．９９％的氩气。激光器为额定输出功率３ｋＷ的
１试验材料及方法
ＨＡＡＳ—ＬＡＳＥＲ（型号ＨＬ３００６Ｄ）固体激光器，送丝设备 为Ｆｒｏｎｉｕｓ公司生产的配备推拉丝焊枪的ＶＲ７０００专
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；５Ａ０６ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｆｉｌｌｉｎｇ ｗｉｒｅ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
引言
５Ａ０６防锈铝合金属于铝一镁系合金，具有良好的 耐蚀性、较高的比强度、导电性及导热性好等优点，退 火后焊接性良好，是焊接结构中应用最多的铝合金之 一。其在航空、航天、汽车、机械制造、电工、化学工业 等应用场合中已得到大量应用。迄今为止。针对这种 铝合金的焊接主要为惰性气体保护会属极电弧（ｍｅｔ— ａｌ—ａｒｃ ｉｎｅｒｔ－ｇａｓ，ＭＩＧ）焊、惰性气体保护钨极电弧（ｔｕｎｇ— ｓｔｅｎ ｉｎｅｒｔ－ｇａｓ，ＴＩＧ）焊等电弧焊方法，但是由于铝合金 熔点低、热传导系数大、密度小、线膨胀系数大等特点，
以上，延伸率为基材的５８％左右；断口位置为热影响区，断裂特性和母材相似，均为韧窝和撕裂棱混合型韧性断口。结
果表明，在铝合金的激光焊接过程中，填允合适成分焊丝可以消除铝合金激光自熔焊时的凹陷、咬边等宏观缺陷，接头的 综合力学性能得到极大改善。
关键词：激百度文库技术；５Ａ０６铝合金；激光填丝焊；显微组织；拉伸强度
中图分类号：ＴＧ４５６．７
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８０６．２０１０．０１．０１０
Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｂｕｔｔ ｌａｓｅｒ ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｉｕｍ
ａｌｌｏｙ ５Ａ０６ ｓｈｅｅｔｓ ｗｉｔｈ ｆｉｌｌｅｒ
图４为５Ａ０６铝合金基材及焊缝接头不同区域的 微观组织。由图可见，５Ａ０６铝合金基材为有明显方向
在高温的焊接过程中难免会有Ｍｇ元素的烧损，从而 造成其接头软化和强度的下降…也是激光自熔焊焊 缝强度往往低于基材的原因，为考察填丝焊对焊缝接 头中Ｍｇ元素的分布影响，采用沿垂直接头熔合线的 方向进行了线扫描分析（见图５）。
万方数据
３６
激光 技 术
２０１０年１月
率只有基材的５８％左右，可能因为其断裂位置为热影 响区，晶粒发生一定程度的粗化，有固溶粒子的析出， 成为断裂源，所以导致其断裂强度和韧性均有所降低； 另一方面，基材为轧制组织，本身延性很好（延伸率达 ２１．６％），而经过焊接后，得到的焊缝组织为铸态组 织，难免会降低其综合力学性能，但由于焊缝晶粒细 小，所以其强度并无明显降低，而主要体现为延伸性能 的降低，最后在焊态下其延伸率为１２．６２％，达到基材 的５８％。 ２．２焊缝显微组织观察
摘要：为了研究５Ａ０６铝合金焊接接头的显微组织和力学性能，采用３ｋＷ的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器填充ＳＡＩ－Ｍ９５焊丝，对
２ｒａｍ厚的５Ａ０６铝合金板进行对接拼焊。焊缝的化学成分基本和基材相同，显微组织在靠近熔合线附近为细小致密的
柱状晶，焊缝中心为细小的枝状晶，热影响区宽度为５０１ｘｍ～１００１山ｍ，晶粒粗化不明显；接头的拉伸强度达到母材的９３％
Ｆｉｇ．４ Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅｓ ｏｆ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔ ａｎｄ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ ｏｆ ５Ａ０６ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌ· ｌｏｙ（ＷＢ－－－ｗｅｌｄｉｎｇ ｂｅａｄ，ＨＡＺ—ｈ∞ｔ ａｆｆｅｃｔ ｚｏｎｅ，ＢＭ－－ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ，Ｆｚ—－ｆｕ— ｓｉｏｎ ｚｏｎｅ） ａ—ＷＢ＋ＨＡＺ＋ＢＭ ｂ＿一ＷＢ ｎｃｓｒ ｔｏ ＦＺ ｃ—ｃｅｎｔｅｒ ０ｆ ＷＢ ｄ—ＢＭ
作者简介：余阳春（１９７５－），男，博士研究生，主要从事激 光加工工艺及焊接材料方面研究。
宰通汛联系人。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｍｗａｎｇ＠ｍａｉｌ．ｈｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２００８—１１－０６；收到修改稿只期：２００８．１２．１８
普通电弧焊焊接时，易在焊缝及热影响区中形成气孔、 裂纹及热变形等各种焊接缺陷，尤其是焊接热影响区 的软化导致其接头强度往往大大低于母材强度，严重 制约ｒ其在工业中的应用¨引。采用激光等高能束源 实现铝合金的焊接，可以大大改善铝合金接头性能，但 由于激光的高能量密度会导致高温焊接区的易挥发合 金元素（如Ｍｇ）的蒸发，从而大大降低焊缝的强度（如 一般激光焊的焊缝抗拉强度及硬度普遍比被焊基材低 ２０％左右）。另外，由于激光自熔焊时合金元素的烧 损得不到补充，还会造成焊缝ｆｕｌ陷，咬边等缺陷，进一 步导致其接头力学性能的下降。为提高铝合金焊接接 头性能，国外对激光填丝焊技术在铝合金焊接方面开 展了许多研究№。引，并且已经成功应用于实际生产；而 国内目前相关研究开展不多，基本还处于工艺探索方 面¨¨。本文中采用３ｋＷ的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，针对
Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔ
ｔ８“８ｉ１８ ８ｔ”“昏ｈ ８”。。ａｌ；。ｅｌ。ｎｇａｔｉ。ｎ ａＶｅｒａｇｅ Ｎ。．
９ｂ／ＭＰａ
矿ｂ／ＭＰａ ８／％
６／％
ｂｒｅａｋ Ｉｏｅａｔｉｏｎ
Ｆｉｇ．２
Ｄａｍａｇｅ ａｔ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ
试验材料选用２ｍｍ厚的５Ａ０６铝合金板。试样尺 寸为１５０ｍｍ×１００ｍｍ，沿垂直于轧制方向焊接。填充
用送丝系统。送丝方式采用前送丝以保证焊接过程的 稳定性，送丝夹角为６０。，焦点位于被焊件表面，焊接
焊丝为直径１．０ｍｍ的ＳＡＩ－Ｍ９５国产焊丝。５Ａ０６铝合 工艺参量见表２。
Ｔａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ５ Ａ０６ ａｎｄ ＳＡＩ—ＭＳ５（１１１１１５８ ｆｒａｃｔｉｏｎ）
Ｆｉｇ．１
Ｍａｅｒｏｓｃｏｐｙ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｗｅｌｄｅｄ ｓｅａｎｌ
ａＥｆｉｌｌｅｒ ｗｉｒｅ ｂ－－ｓｅｌｆ－ｆｕｓｉｂｌｅ
激光填丝焊焊缝正面成形良好，波纹均匀，并向上微小
凸起，而在截向图上可以看到焊缝完伞焊透，和母材交
接处无咬边，背面也形成微小凸出，消除了自熔焊时焊
缝的凹陷和咬边等缺陷（见图１ｂ）。
拉伸试样按ＧＢ／Ｔ２２８．２００２标准沿焊缝横向取 样，在ＷＤＷ３２００微控电子万能试验机卜进行拉伸，焊 后各区显微组织的观察在Ａｘｉｏｖｅｒｔ ２００ＭＡＴ金相显微 镜上进行，并采用Ｑｕａｎｔａ ２００环境扫描电镜和ＥＤＡＸ 能谱仪分别对接头区的成分和断口形貌进行分析。
２试验结果及分析
２．１焊缝宏观形貌和接头力学性能 焊缝外观成形及截面形貌见网１。由图１ａ可见，