激光擺動焊接的功率對鋼/鋁焊接接頭的影響

巴 一，韓善果，師文慶，黃進鈺，黃 江，謝玉萍，何寬芳

(1.廣東海洋大學 電子與信息工程學院，湛江 524088；2.廣東省科學院 中烏焊接研究所，廣州 510650；3.佛山科學技術學院 機電工程與自動化學院，佛山 528225)

引 言

近年來，隨著船舶制造業的發展與產業優化，單一構建的材料已經無法滿足船舶的使用要求，異種材料在船舶的制造中逐漸普及[1-2]。鋼、鋁作為船舶制造中的常用材料，異種焊接無可避免。但是,由于鋼、鋁兩種材料在化學和物理性能上差異巨大，導致兩種材料的焊接性能較差，因此,傳統熔焊難以獲得高質量的焊接接頭[3-5]。

激光擺動焊接作為一種新技術，具有熱輸入量高、殘余應力小等優點，在異種材料的焊接領域具有廣闊的應用前景[6-9]。近年來，已有大量學者針對異種材料的擺動焊接進行研究。LI等人[10]使用了5種激光擺動方式搭接301不銹鋼，分別對焊縫成形質量、焊縫氣孔率及焊縫尺寸、焊縫顯微組織進行比較,結果表明，無論是哪種擺動方式，所獲得的焊接接頭質量都好于直線焊接接頭,其中8字形擺動所得到接頭焊縫結合面最寬，環形擺動所得到的接頭氣孔率最低。LI等人[11]使用激光擺動焊接6061鋁合金和316L不銹鋼，將擺動焊接和與直線焊接的鋼/鋁接頭，通過能譜分析與拉伸測試進行對比，結果表明，激光直線焊接所獲得的接頭會產生大量FeAl3脆性化合物，擺動焊接接頭會將鋼鋁攪拌均勻，生成Fe(Al)和FeAl化合物，這種化合物有利于延緩裂縫擴散，使接頭具有更大的拉伸力。CHEN等人[12]用激光擺動焊接Q235鋼，通過微觀組織與力學性能的分析，得出結論:擺動焊接在強化接頭抗拉伸力的同時，對接頭的硬度、強度和韌性無不利影響。ZHANG等人[13]采用擺動焊接對Al-6Mg鋁合金進行焊接，研究擺動頻率對縫孔率的影響，擺動頻率和擺動幅度越高，孔隙率越低;擺動焊接所得焊縫的極限抗拉強度為308MPa，非擺動焊縫的極限抗拉強度為226MPa。LI等人[14]研究激光擺動參量對304不銹鋼焊縫形貌、微觀組織和力學性能的影響,結果表明，擺動頻率增大，焊縫熔寬、硬度、抗拉強度均有所提高。

目前在激光擺動焊接的研究中，主要是針對不同擺動頻率、不同擺動圖案對焊接結果的影響。對激光功率的變化影響焊接結果的研究較少，因此，具備一定的研究價值。本文中對5083鋁合金和DP780鍍鋅鋼進行激光擺動焊接，研究了不同的激光功率對焊縫成形、金相組織以及力學性能的影響，為激光擺動焊接在工業上的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗設備

實驗中使用的材料為1.3mm×100mm×100mm的DP780雙相鋼和1mm×100mm×100mm的5083鋁合金，其主要化學成分如表1所示。焊接系統如圖1所示。采用Trumpf 10002碟片激光器和PFO3D擺動接頭，激光束通過光纖進行柔性傳輸，傳輸光纖最小直徑為200μm;采用最大功率10kW的連續激光器，輸出波長1030nm，光束質量為8nm·mrad，額定功率下的功率輸出穩定性穩定在±1%。

Table 1 Main chemical composition of substrate material (mass fraction)

1.2 實驗方法

實驗中采用鋼上鋁下的搭接方法，其示意圖如圖2所示。搭接距離為35mm，用氮氣保護，氮氣的流速是15L/min。

影響焊接結果的主要因素有：激光功率、焊接速率和離焦量，其中激光功率對焊縫的影響最為顯著[15]。因此作者旨在研究激光功率對焊縫宏觀形貌、微觀組織、顯微硬度和焊縫拉伸性能的影響。為獲得良好的焊接效果、焊接功率的窗口范圍，設計如表2所示的實驗參量。

焊接前使用鋼束打磨材料表面，并用100%的工業乙醇進行清洗，去除表面雜質和多余油脂。焊接結束后，沿焊縫垂直方向切割金相試樣和拉伸試樣。依次使用400#、600#、1000#、1500#、2000#的砂紙對試樣表面打磨拋光，隨后使用wHF∶wHNO3∶wH2O=1∶2∶7的溶液對試樣表面進行腐蝕，通過平面測量顯微鏡和金相顯微鏡對焊縫的宏觀與微觀進行觀察，使用維氏硬度計對不同焊縫的硬度進行測量，加載力為500g，加載時間為10s。采用電子樣拉伸機測量焊縫最大拉伸力，拉伸試樣是180mm×20mm的長條狀試樣，拉伸速率為2mm/min。

Fig.2 Welding diagram

Table 2 Welding parameters

2 結果與分析

2.1 焊接接頭宏觀形貌

圖3為不同激光功率下，焊接接頭的宏觀形貌。通過觀察可以看出：在激光擺動焊接時，隨著激光功率的增加，焊縫出現熔池飛濺、下榻、氣孔、板材焊透等缺陷。當激光功率過小時，焊接形式主要以傳導焊為主，板材表面激光功率密度較低，板材無法熔化。因此在1300W及以下的激光功率焊接時，兩塊板材并未完全焊接。當激光功率達到1400W時，板材焊接成功，焊縫整體呈銀白色且成形較好。激光功率過大時，匙孔底部與金屬蒸汽之間的作用力增大，會導致焊縫產生嚴重的下榻。當激光功率增加到1500W時,焊縫出現下塌，增加至1700W的功率時，板材焊穿。

Fig.3 Surface morphologies of welds obtained under different power conditions

使用不同激光功率焊接的鋼/鋁接頭形貌和接頭尺寸如圖4所示。圖中w1,w2和p1分別為焊縫上、下的寬度和焊縫熔深。隨著激光功率的增加，激光作用在母材表面的能量增大，熔池面積增大。但是當激光功率過高時，熔池內的金屬會過多的蒸發，導致熔池內金屬含量降低。因此，隨著激光功率的增加，焊縫截面的尺寸與熔深呈現出先增大后減小的趨勢。當焊接速率、擺動頻率、擺動周期等參量一定時，激光功率的變化會改變工件表面激光能量密度，影響焊縫成形效果，對焊接結果產生影響。

Fig.4 Weld section size

2.2 焊接接頭金相組織

焊接接頭主要由焊縫、熔合線和熱影響區三部分組成。通過金相顯微鏡觀察不同功率下得到的焊接接頭的不同區域，并對其金相組織進行分析。當激光功率為1400W時，焊接接頭的形貌如圖5所示。此時接頭由馬氏體組成，熱影響區為大量的回火馬氏體與塊狀鐵素體。

Fig.5 Metallographic structure of 2# welded joint

當激光功率為1500W時，焊接接頭的形貌如圖6所示。焊縫兩側與底端產生大量的鐵素體與片狀珠光體，其余部分為低碳馬氏體。熱影響區為大量的回火馬氏體與塊狀鐵素體。

當激光功率為1600W時，焊接接頭的形貌如圖7所示。在焊縫中間為鐵素體和少量的片狀珠光體。隨著焊縫熔深的增加，片狀珠光體減少，鐵素體含量增多。焊縫的熱影響區依然由回火馬氏體與塊狀鐵素體組成。

Fig.7 Metallographic structure of 4# welded joint

當激光功率高時，作用在工件表面的能量有部分用于熔化金屬，形成熔池，其余部分繼續對工件加熱。此時晶粒成長的能量充足，粗化嚴重。組織之間與組織內部的結合力小、容易成為焊接接頭的薄弱點，降低接頭的拉伸力與顯微硬度[16-17]。當激光功率低時，激光作用在工件表面的能量相對較低，大部分能量用于熔化金屬形成熔池，晶粒生長的能量有限，焊縫的金相組織以細小的低碳馬氏體為主。隨著功率的增加，熔池存在時間變長，鋼/鋁接頭周圍產生的金屬間化合物也隨之增多。綜上可知，焊縫低碳馬氏體、小尺寸金屬間化合物的微觀組織均具備優良的性能，主要表現為焊接接頭的顯微硬度與最大拉伸力的提升。

2.3 焊接接頭顯微硬度

DP780雙相鋼硬度約為240HV，5083鋁合金硬度約為70HV。經過不同激光功率的擺動焊接后，二者在焊縫中心和熱影響區的顯微硬度均有所提升。如圖8所示，在1400W的功率下，鋼側接頭的熱影響區和焊縫中心的硬度均高于母材且無明顯差距，硬度平均值為367HV，鋁側接頭無明顯變化。當激光功率達到1500W時，鋼側接頭的熱影響區的顯微硬度明顯高于焊縫中心位置，此時焊縫中心的顯微硬度平均值為289HV,鋁側接頭的顯微硬度的平均值達到305HV。當激光功率達到1600W時，鋼側接頭的顯微硬度為274HV，鋁側接頭的顯微強度為260HV。

Fig.8 Microhardness evolution of weld seam under different laser power

低功率時,焊接接頭的冷卻速率大，母材轉變為低碳馬氏體，當焊接功率增加時，焊接接頭的冷卻速率降低，接頭內的低碳馬氏體減少，鐵素體增多。因此激光功率的增加，會導致鋼側接頭顯微硬度的降低[18-19]。隨著激光功率的增加，焊縫底端鋼板在鋁板中熔覆面積增加。相比于鋁，鋼的顯微硬度較高，所以較大的激光功率會改善鋁側接頭的顯微強度。在3組焊接接頭中，2#鋼側接頭、3#鋁側接頭、4#鋁側接頭的顯微硬度變化呈現“馬鞍形”；3#鋼側接頭、4#鋼側接頭的顯微硬度變化呈現“M形”。

2.4 焊接接頭拉伸力

不同激光功率下焊接接頭的宏觀拉伸形貌和最大拉伸力如圖9所示。 最大拉伸力為2681N，最小拉伸力為1532N，分別出現在1600W和1400W功率下焊接的接頭中，接頭的拉伸力隨著激光功率的增大而減小。不同激光功率下焊接接頭拉伸的失效形式均為鋼/鋁界面失效。失效的主要原因是在接頭結合處存在大量的脆性鋼鋁金屬間化合物(intermetallic compound，IMC)，在拉伸力載荷下，IMC中的裂紋逐漸生長，引起接頭結合失效，最終導致結合面在鋁側基體脫離。

Fig.9 Schematic diagram of maximum tensile force of weld

當功率為1400W時，焊縫熔深尺寸小，受力均勻，應力集中在焊縫整體，IMC層的生長也受到限制，因此接頭冶金結合強度得到提高。隨著激光功率的增加，熱輸入量增高，焊縫熔深增加，且結構為上寬下窄，在受到拉力載荷時容易受力不均勻，會在薄弱位置發生應力集中，造成焊縫斷裂[20]。此外，高功率下，接頭會產生較厚的IMC層，在IMC層中存在微裂紋，導致接頭冶金結合強度較低。故接頭由于受機械結合以及冶金結合強度的影響，隨激光功率的增加，其最大拉伸力降低。

3 結 論

采用激光擺動焊接的方式，在1300W～1700W的功率區間內，對5083鋁合金和DP780雙相鋼焊接,研究了焊縫形貌、金相組織、顯微硬度和拉伸力對其的影響。

(1)激光擺動焊接鋼鋁異種材料的有效功率區間在1400W～1600W之間。功率小于區間內，無法完成板材的焊接;功率過大，會導致板材燒穿，連接形式失效。

(2)激光功率的增加，會一定程度上增加焊縫熔寬與熔深，但是過大的激光功率會對焊縫質量產生影響，如氣孔、裂紋等缺陷。

(3)隨著激光功率的增大，焊縫的晶粒尺寸增加，接頭內的馬氏體被鐵素體取代。鐵素體含量的增多，會導致焊縫的顯微硬度與抗拉強度降低。在有效功率區間內，1400W焊接的接頭具備高硬度與最大拉伸力。