6xxx系铝合金弧焊与高功率激光焊组织性能对比

2020-05-03林相远周金旭吴振国

有色金属加工 2020年2期

林相远，张威，王利，周金旭，吴振国

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

铝合金具有密度小、塑性成型好、比强度高等优点，为新能源汽车产品常用的轻量化材料[1]。对于可热处理强化铝合金而言，其焊后会存在接头软化现象进而会使焊接接头强度降低，这是产品设计者需要考虑的问题。激光焊接具有焊接速度快、能量集中、焊接变形小等优点[2]，十分适合铝合金产品的焊接。相对于激光自熔焊而言，LFW焊对于焊接间隙等工艺要求可以进一步放宽[3]，因此LFW焊在汽车行业自动化生产中广泛使用。MIG焊与TIG焊则具有施焊灵活的优点，对于LFW焊空间位置不可达的焊缝位置，通常会使用MIG焊或TIG焊进行焊接。

6005A-T6为一种常用的挤压铝合金材料，其焊后接头受焊接热循环影响，会存在热影响区过时效软化的现象，进而使焊接接头强度降低。不同的焊接方法焊接热输入不同，其焊后接头强度也会有所差异。因此，本文选择6005A-T6挤压型材作为对象来进行不同焊接方法下的焊接接头组织与性能对比研究。旨在说明使用LFW焊、MIG焊以及TIG焊3种焊接方法获得的接头在组织与性能上的差异，为铝合金焊接产品的焊接设计提供数据参考。

1 实验过程

1.1 实验材料

本次实验选用6005A-T6(300 mm×150 mm×3 mm)挤压铝合金作为母材进行焊接，母材的成分(质量分数，%)为，Si 0.50～0.90，Fe 0.35，Cu 0.30，Mn 0.50，Mg 0.40～0.70，Cr 0.30，Zn 0.20，Ti 0.10，Al及其它为余量；其力学性能为，抗拉强度Rm273MPa，屈服强度Rp0.2240MPa，断后伸长率A50mm12.1%。

1.2 焊接实验

LFW焊的激光发生器为通快TruDisk-8002碟片式激光器，激光头为High-YAG可变双焦点焊接激光头，机器人为KUKA。MIG焊设备为Fronius TPS5000数字化逆变铝焊机，TIG焊设备为Panasonic YC-300BP数字化铝焊机。填充金属选用EN ISO 18273∶S Al 5356焊丝，焊丝直径为1.2mm(3/64″)，保护气体为99.999%纯氩。填充金属的化学成分(质量分数，%)为，Si 0.04，Mg 0.15，Fe 0.11，Cu<0.01，Mn 0.15，Cr 0.07，Ti 0.07，Zn<0.01，Al余量；其力学性能为，抗拉强度Rm≥235MPa，屈服强度Rp0.2≥110MPa，断后伸长率A50mm≥17%。

LFW焊接接头形式为I形坡口对接接头，实验时进行单面焊双面成形焊接，背部置有非永久衬垫，如图1所示。MIG焊与TIG焊焊接接头形式均为V形坡口对接接头，实验时进行单面焊双面成形焊接，背部置有非永久衬垫，如图2所示。

实验时的焊接参数见表1，均为单道焊。焊接接头的表面形貌如图3所示，焊接接头的横截面宏观形貌如图4所示，其接头质量均满足ISO 10042 B级要求。通过对比可以发现LFW焊相对于弧焊而言，焊道窄而细、表面成型更加美观。另外，LFW消耗的填充金属量相对更少，节省焊材成本。

表1 焊接参数

2 实验结果

2.1 拉伸实验

使用AG-X 100KN H电子万能试验机，对LFW接头、MIG接头以及TIG接头进行力学性能的实验。实验结果如图5所示，所有试件的拉伸断裂位置均为热影响区。现将焊接接头抗拉强度与母材实际抗拉强度的比值定义为接头系数。由实验结果可知，LFW焊接接头抗拉强度平均值为211MPa，接头系数0.77；MIG焊接接头抗拉强度平均值为190MPa，接头系数0.70；TIG焊接接头抗拉强度平均值为181MPa，接头系数0.66。即LFW焊接接头的抗拉强度高于MIG的，MIG焊接接头的抗拉强度高于TIG的。

2.2 微观金相组织观察

使用光学金相显微镜分别对6005A-T6的LFW焊接接头、MIG焊接接头以及TIG焊接接头进行200倍微观金相组织观察，如图6所示。观察所用的金相试样均是在与拉伸实验相同的焊缝上截取的，在对金相试样进行微观组织观察时均未发现显微裂纹等缺陷的存在，接头质量均满足ISO 10042 B级要求。

由图6可知，3种焊接方法获得的焊接接头在熔合线附近均存在典型的柱状晶组织，这是由于该区域经历了快速凝固的过程而导致的。并且，熔合线区域的一次枝晶生长方向也会受到凝固过程中温度梯度的影响，最终出现垂直于熔合线方向的柱状树枝晶[4]。通过对比，可以发现在LFW焊接接头的热影响区中靠近熔合线的区域，母材受焊接热循环作用所产生的晶粒粗大现象最不明显，而TIG焊该现象则最为明显。这是由于LFW焊接热输入较低而TIG焊接热输入较高所造成的。粗大的晶粒将造成力学性能的下降[5]，并且对于6xxx系铝合金焊接接头而言热影响区正是强度最为薄弱区域。因此，低焊接热输入的LFW焊更具优势。

2.3 接头硬度

使用FV-810型维氏硬度计，对LFW接头、MIG接头和TIG接头焊缝横截面水平中心线上的显微硬度分布进行测量，以分析不同焊接方法的焊接接头硬度分布特征。显微硬度的测量点由一侧的热影响区、熔合区直至焊缝中心后再至另一侧的熔合区以及热影响区，每两个显微硬度测量点的间隔距离为1mm。

3种焊接方法的接头显微硬度测量结果如图7所示。通过对比，可以发现LFW接头硬度整体高于MIG接头与TIG焊接头。这是由于LFW焊接热输入较小所致，小的焊接热输入会使接头热影响区强度的下降程度降低，而硬度又是强度的体现，故LFW接头硬度相对较高。

由显微硬度测量结果还可知，LFW接头硬度的最低值为68.3 HV1且位于热影响区；MIG接头的硬度最低值为50.7 HV1且位于热影响区；TIG接头的硬度最低值为50.4 HV1且也位于热影响区。即LFW接头的硬度最低值高于MIG的，MIG接头的硬度最低值高于TIG的，该结果与其横向拉伸断裂结果相匹配。