5052/6005A異種鋁合金激光填絲焊接頭組織與力學性能研究

周金旭 康銘 徐玉君 金鑫 黃晨

摘要：對鋁合金6005A與5052進行異種鋁合金激光填絲焊，研究了焊接接頭的微觀組織及力學性能，并對接頭斷口微觀特征進行了分析。結果表明，焊縫中心為等軸晶與樹枝晶，鋁合金6005A側熔合線附近存在清晰柱狀晶，鋁合金5052側熔合線較為模糊。拉伸時在鋁合金6005A側熱影響區斷裂。焊接件焊接接頭的平均抗拉強度為197.9 MPa，達到鋁合金6005A母材抗拉強度的83%。斷裂特征為韌性斷裂，接頭彎曲性能良好。

關鍵詞：激光填絲焊；異種鋁合金；顯微組織；力學性能

中圖分類號：TG 44 文獻標志碼：A

基金項目：遼寧省‘興遼英才計劃項目資助（XLYC1908014）

Study on Microstructure and Mechanical Properties of 5052/6005A Dissimilar Aluminum Alloy Laser Wire Filler Welded Joint

ZHOU Jinxu， KANG Ming， XU Yujun， JIN Xin， HUANG Chen

（Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoyang 111003， China）

Abstract： Dissimilar aluminum alloy laser wire filling welding was carried out on 6005A and 5052 aluminum alloys. The microstructure and mechanical properties of the welded joint were studied， and the micro characteristics of the joint fracture were analyzed. The results show that the weld center is equiaxed crystal and dendrite， there are clear columnar crystals near the fusion line of 6005A aluminum alloy side， and the fusion line of 5052 aluminum alloy side is fuzzy. The joint breaks in the heat affected zone of aluminum alloy 6005A side， and the average tensile strength of the welded joint is 197.9 MPa， which reaches 83% of the tensile strength of 6005A aluminum alloy base metal. The fracture feature is ductile fracture， and the joint shows good bending performance.

Keywords： laser welding with filler wire； dissimilar aluminum alloy； microstructure； mechanical properties

6005A鋁合金與5052鋁合金被廣泛的應用于軌道車輛及汽車制造等領域[1]，在生產過程中常會出現需要將6005A與5052異種鋁合金焊接的情況。目前鋁合金焊接大多以熔化極惰性氣體保護（metal-inert gas，MIG）焊、鎢極惰性氣體（tungsten inert gas，TIG）保護焊為主，但這兩種焊接方法在焊接過程中因其熱輸入高、焊接變形大、熔深淺等對其應用產生了一定制約[2]。激光焊接是高能束焊接方法之一，與常規的熔化焊相比，能量更為集中，具有更低的熱輸入及變形，并具有更大的熔深，焊縫成型更為美觀，可以提高焊接接頭的質量，焊接鋁合金具有一定優勢[3-5]，激光填絲焊接是通過預置焊絲或同步送絲的方法對試板進行焊接，可以明顯地降低激光焊接對裝配精度的要求，同時能改善焊縫的合金成分，并能防止焊縫裂紋的產生，提高激光焊接的應用范圍[6]。采用以碟片式激光器為主的激光焊接試驗平臺對板厚3 mm的6005A鋁合金與5052鋁合金進行異種鋁合金激光填絲焊接，研究了5052與6005A異種鋁合金激光填絲焊接頭的力學性能、顯微組織、斷口形貌等。

1 試驗材料與方法

試驗母材為6005A-T4及5052-H32鋁合金，試板規格為300 mm×150 mm×3 mm。填充材料為ER5087，焊絲直徑為1.2 mm。保護氣體為Ar，質量分數大于99.99%，母材和焊絲化學成分如表1所示。對母材進行力學性能試驗得出，6005A-T4鋁合金的平均抗拉強度為238.35 MPa，斷后伸長率為14.06%。5052-H32鋁合金的平均抗拉強度為224.14 MPa，斷后伸長率為14.96%。

焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動鋼絲刷打磨焊縫及其兩側25 mm區域內氧化膜至露出金屬光澤，并用酒精對待焊部位進行清理。接頭為I型坡口，焊接采用了以TRUDISK8002激光器為主的激光焊接試驗平臺，焊接過程中激光通過直徑200 μm的光纖進行傳輸。焊接過程示意圖如圖1所示，焊接工藝參數如表2所示。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接接頭力學性能分析

焊后使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗機對焊接接頭進行橫向拉伸破壞性試驗，試驗結果見表3。斷裂均發生在鋁合金6005A側的熱影響區，說明鋁合金6005A側熱影響區存在軟化現象，為接頭薄弱處[7]，斷裂位置距離焊縫中心約為8 mm，接頭的平均抗拉強度為197.9 MPa，達到6005A鋁合金母材抗拉強度的83%。鋁合金弧焊一般要求接頭抗拉強度為母材的70%，激光填絲焊接頭抗拉強度有所提高。圖2為接頭拉伸斷裂試樣。圖3為拉伸試樣斷口微觀形貌，分析發現接頭的斷口較為平緩，存在大量的等軸韌窩，韌窩尺寸較大、較深，斷口表面存在滑移分離，呈現出蛇形滑動特征，撕裂楞上分布著細小的韌窩，為韌性斷裂[8-9]。

使用AG-X 250KN電子萬能試驗機對焊接接頭進行彎曲試驗，彎曲角180°，壓頭直徑38 mm，試驗結果見表4，接頭彎曲形貌見圖4。從表4和圖4的結果可知，試樣在焊縫中心達到最大圓弧過渡，未出現開裂現象[10]，符合GB/T29710—2013《電子束及激光焊接工藝評定試驗方法》，所有彎曲試樣彎曲結果合格，焊接接頭抗彎能力良好。

2.2 焊接接頭金相組織

使用蔡司M2m光學顯微鏡對焊接接頭不同位置進行金相觀察。圖5為焊縫的截面宏觀形貌。圖6為焊接接頭顯微組織。圖6（a）和圖6（b）分別為鋁合金6005A和5052側熔合線及熱影響區附近組織，可以看出鋁合金6005A側熔合線更為明顯，靠近熱影響區側存在細小的等軸晶，靠近焊縫一側存在方向性明顯的粗大柱狀晶，且向焊縫內部延伸，晶粒之間排列規則，熱影響區晶粒并未發生明顯的長大[11]。鋁合金5052側熔合線附近存在向焊縫內部延伸的較為雜亂晶界不明顯的柱狀晶，熱影響區晶粒發生一定程度的長大。圖6（c）為焊縫組織，組織為細小的樹枝晶與等軸晶[12-13]，晶粒之間存在明顯的各向異性，原因是焊縫內溫度梯度相對較小并存在一定的偏析，成分過冷，并且焊縫冷卻速度與形核速度較快，晶粒來不及長大。

為進一步明確兩側熔合線附近金相組織情況，對試驗母材進行了MIG焊，MIG焊焊縫的截面形貌如圖7所示。圖8（a）和圖8（b）分別為MIG焊后鋁合金6005A側熔合線與鋁合金5052側熔合線附近組織，圖8（c）為焊縫組織。從圖8可以看出，鋁合金6005A側熔合線更為清晰，鋁合金5052側則更為模糊，鋁合金6005A側柱狀晶較為粗大清晰方向性明顯，鋁合金5052側柱狀晶則相對無規則，與激光填絲焊接頭金相組織情況一致，MIG焊兩側熱影響區晶粒均存在明顯的長大現象，因為MIG焊熱輸入相對激光填絲焊更大，焊縫則為典型的鑄造組織[14-15]。對比激光填絲焊與MIG焊金相組織可以清晰的看出激光填絲焊的焊縫、熱影響區組織更為細小，熱影響區更窄。

3 結 論

（1） 采用激光填絲焊接與MIG焊接對5052與6005A異種鋁合金進行焊接，焊接接頭熔合良好，鋁合金6005A側熔合線更清晰。

（2） 接頭的平均抗拉強度為197.9 MPa，斷裂位置出現在6005A側的熱影響區，斷口存在大量的韌窩，為韌性斷裂，焊接接頭抗彎能力良好，彎曲角180°時所有彎曲試樣未出現開裂現象。

（3） 激光填絲焊接頭與MIG焊接頭，焊縫為明顯的鑄造組織，兩側熔合線靠近焊縫側存在粗大的柱狀晶，兩側熱影響區組織存在長大現象，激光填絲焊接接頭各區域組織更為細小。

參考文獻：

[ 1 ]胡靖元， 劉志穎， 李培躍， 等. 5083/6063異種鋁合金MIG焊接接頭組織和力學性能[J]. 熱加工工藝， 2018， 47（19）： 237–239.

[ 2 ]周金旭， 李巖， 楊宇， 等. 6005A鋁合金CMT與MIG焊接頭組織及性能研究[J]. 有色金屬加工， 2020， 49（1）： 22–25.

[ 3 ]李飛， 孔曉芳， 吳世凱， 等. 5083鋁合金光纖激光—變極性TIG復合填絲焊接工藝研究[J]. 應用激光， 2014， 34（3）： 223–227.

[ 4 ]許飛， 李曉延， 楊璟， 等. 5A06鋁合金激光填絲焊工藝研究[J]. 焊接， 2008（8）： 26–28.

[ 5 ]SáNCHEZ-AMAYA J M， BOUKHA Z， AMAYAVáZQUEZ M R， et al. Weldability of aluminum alloys with high-power diode laser[J]. Welding Journal， 2012， 91（5）： 155–161.

[ 6 ]許飛， 陳俐， 鞏水利， 等. 5A06鋁合金激光填絲焊接頭組織性能分析[J]. 應用激光， 2009， 29（2）： 83–86.

[ 7 ]薛海峰， 梁連杰， 孫景楠， 等. 高速列車側墻大型材激光-MIG復合焊接[J]. 電焊機， 2015， 45（2）： 49–52.

[ 8 ]嚴軍， 高明， 曾曉雁， 等. 激光-MIG復合焊接2A12鋁合金工藝和接頭性能[J]. 中國有色金屬學報， 2009， 19（12）： 2112–2118.

[ 9 ]陸正萍， 張楨， 蔣云澤. Cu含量對噴射成形7055鋁合金微觀組織和力學性能的影響[J]. 有色金屬材料與工程， 2018， 39（1）： 1–5.

[10]火巧英， 李東風， 戴忠晨， 等. 6005A-5083異種鋁合金激光-MIG復合焊接[J]. 電焊機， 2015， 45（3）： 98–102.

[11]楊得帥. 6061鋁合金激光焊接接頭組織及力學性能研究[D]. 濟南： 山東大學， 2014.

[12]續敏， 李向榮， 楊化林. 5052鋁合金激光焊接接頭組織和性能研究[J]. 熱加工工藝， 2017， 46（1）： 236–237.

[13]SáNCHEZ-AMAYA J M， BOUKHA Z， AMAYAVáZQUEZ M R， et al. Analysis of the laser weldability under conduction regime of 2024， 5083， 6082 and 7075 aluminium alloys[J]. Materials Science Forum， 2012， 713： 7–12.

[14]喬建毅， 邵有發， 阮野， 等. 鋁合金6082和5083MIG焊接頭的微觀組織和性能[J]. 材料導報B： 研究篇， 2016， 30（12）： 94–97.

[15]邢艷雙， 張志強， 趙秦億， 等. 6082-T6/6005A-T6異種鋁合金MIG焊接頭的組織與性能[J]. 輕合金加工技術， 2018， 46（7）： 58–64.