張賀,靳軍,蔣平,張風(fēng)東,張振鵬,周志凱
(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島,266111;2.華中科技大學(xué),武漢,430074;3.卡門哈斯激光科技(蘇州)有限公司,蘇州,215000)
鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通等領(lǐng)域[1].激光焊擁有高能量密度、低熱輸入、高焊接速度等優(yōu)點,常用于鋁合金結(jié)構(gòu)的制造[2-4],然而,激光焊在鋁合金焊接時常產(chǎn)生下塌以及氣孔缺陷[5-7],嚴(yán)重影響接頭力學(xué)性能.
針對鋁合金激光焊存在的上述問題,部分學(xué)者提出激光-電弧復(fù)合焊接工藝加以改善,Katayama等人[8]采用激光-電弧復(fù)合焊接工藝成功焊接了5 mm厚Al-Mg合金,在獲得良好表面成形的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接電流大于240 A時,氣孔缺陷才能有效抑制;張臣[9]采用300 A的電弧電流消除了8 mm厚AA6082鋁合金復(fù)合焊接氣孔,結(jié)果表明,高電弧電流增大了熔池底部的激光作用區(qū)域,縮短了氣泡的上浮距離,從而為氣泡的逸出創(chuàng)造了有利條件.與激光焊相比,電弧的引入有利于增大熔深、提高橋接能力、調(diào)整焊縫組織成分、減少氣孔缺陷,但對于中厚板鋁合金,只有高電弧電流的激光-電弧復(fù)合焊才能有效抑制氣孔,同時較高熱輸入易使晶粒粗大而不利于焊縫力學(xué)性能的提高,因此,對于中厚板鋁合金激光-電弧復(fù)合焊的發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn).
激光擺動焊接技術(shù)是近年來激光焊領(lǐng)域衍生出的一種新型焊接方法,該技術(shù)的核心思想是,通過在激光焊接頭上集成振鏡組,實現(xiàn)激光束快速、有序、小范圍地擺動,從而達(dá)到激光焊時光束邊向前行進(jìn)、邊攪拌的目的.Fetzer等人[10]研究了6082鋁合金激光擺動焊過程小孔形態(tài)的動態(tài)變化行為,發(fā)現(xiàn)當(dāng)軌跡為圓形、頻率為100 Hz時,熔池會有周期性氣泡生成;而當(dāng)頻率提升至200 Hz時,可以避免氣泡產(chǎn)生;Hu等人[11]系統(tǒng)研究了AA2060/AA6061異種鋁合金激光擺動焊微觀組織演化機(jī)制與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián),得出較高的頻率減小了熔合線AA2060側(cè)等軸晶區(qū)的面積比例,從而顯著提高了接頭的抗拉強(qiáng)度.
基于激光擺動焊接技術(shù)的優(yōu)勢,部分學(xué)者開始將激光擺動焊融入到激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)中,祁小勇等人[12]探討了工藝參數(shù)對5083鋁合金激光擺動-電弧復(fù)合焊氣孔率和熔深的影響,發(fā)現(xiàn)擺動頻率對于降低焊縫氣孔率及增大熔深最為明顯;Wang等人[13]采用“三明治”結(jié)構(gòu)分析了在中小電流(100~ 300 A)下AA6082鋁合金激光擺動-電弧復(fù)合焊氣孔的抑制機(jī)理,發(fā)現(xiàn)光束的高頻擺動會使小孔對熔池中氣泡的捕獲效果增強(qiáng),從而為氣孔消除提供了條件,結(jié)果表明,作為一種新型工藝,激光擺動-電弧復(fù)合焊接技術(shù)雖然在鋁合金焊接方面取得一定的研究進(jìn)展,但對該工藝仍缺乏深刻認(rèn)識,亟須擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍.
文中以高鐵車頂常用6 mm-6061鋁合金為研究對象,采用激光擺動-電弧復(fù)合焊接技術(shù)對6061鋁合金進(jìn)行鎖底對接焊,系統(tǒng)探討了激光擺動頻率對焊縫表面質(zhì)量、氣孔率、熔池宏觀流動、微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律,為實現(xiàn)6061鋁合金中厚板高質(zhì)高效焊接提供理論支撐及技術(shù)指導(dǎo).
激光擺動-電弧復(fù)合焊試驗平臺示意圖如圖1所示,激光器為Nlight公司的CFL-5000 光纖激光器,其最大輸出功率為5 000 W,激光波長1 064 nm;激光焊接接頭為WXS的 ND60擺動焊接頭,其內(nèi)部的可編程聚焦鏡組可實現(xiàn)“○”,“|”,“8”,“□”多種攪拌軌跡;送絲機(jī)構(gòu)采用伏能士-奧地利(Fronius)送絲機(jī),TPS400i焊接電源,該電弧焊機(jī)具有完備的數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng),可根據(jù)不同的送絲速度自動匹配最佳的電弧電壓及焊接電流;運動機(jī)構(gòu)為ABB 機(jī)器人.利用 Phantom V611 高速攝像機(jī)對焊接過程進(jìn)行實時監(jiān)測,最大拍攝速度為 69 000 fps(幀/s).文中采用激光引導(dǎo)電弧的方式進(jìn)行焊接,激光垂直入射到工件表面,離焦量為0 mm,焊槍與母材呈55°夾角,焊絲干伸出長度為14 mm,光絲間距為4 mm,保護(hù)氣為99.99%的氬氣,保護(hù)氣流量為20 L/min,試驗的主要工藝參數(shù)見表1.高速攝像拍攝速度為5 000 fps,經(jīng)過前期工藝探索圓形擺動軌跡具備優(yōu)異的焊接質(zhì)量及焊接過程的穩(wěn)定性,文中因此采用圓形軌跡.
表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding process parameters
圖1 激光擺動-電弧復(fù)合焊接平臺示意圖(mm)Fig.1 Schematic of equipment used for oscillating laser-arc hybrid welding
選取6 mm厚6061-T6鋁合金加工2 mm鎖底,與4 mm厚6061-T6鋁合金形成鎖底對接接頭,如圖2所示,采用直徑?為1.2 mm ER5356焊絲,母材及焊絲的化學(xué)成分見表2.焊接前,對焊接區(qū)域進(jìn)行打磨,去除表面致密的氧化膜,然后利用無水乙醇對焊接表面進(jìn)行清洗,去除表面雜質(zhì)和油污.
表2 母材及焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 2 Chemical compositions of base metal and welding wire
圖2 鎖底對接試板示意圖(mm)Fig.2 Schematic of bottom-locking butt welding
采用電火花切割機(jī)沿垂直于焊縫方向制取金相試樣,用砂紙進(jìn)行打磨并拋光,待拋光完成后,用Keller試劑(2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O)進(jìn)行腐蝕,腐蝕時間為45 s.采用Byes-3TV體式顯微鏡進(jìn)行焊縫宏觀形貌觀察,利用SU3900掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行焊縫微觀組織觀察,并采用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)觀察枝晶尺寸.
采用HV-1000型顯微硬度計對焊接接頭硬度進(jìn)行測試,在距離焊縫上表面2 mm處開始測量,加載載荷1 N,保壓時間15 s,測試點間距200 μm.按照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》沿垂直于焊縫方向制取拉伸試樣,使用INSTR-8801疲勞試驗機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸測試,拉伸速度為1.0 mm/min,為確保結(jié)果的準(zhǔn)確性,每組試樣進(jìn)行3次拉伸測試.
圖3為不同擺動頻率下焊縫表面的宏觀形貌,可以看出焊縫整體成形均勻,焊縫平直,表面魚鱗紋致密,但在焊道兩側(cè)存在明顯飛濺,同時在焊縫表面也有飛濺附著,隨著擺動頻率的增加,焊縫表面魚鱗紋致密度逐漸增加,焊縫成形較好.
圖3 不同擺動頻率下焊縫表面形貌特征Fig.3 Morphologies of welds at different oscillating frequencies.(a) 50 Hz;(b) 150 Hz;(c) 250 Hz
圖4為不同擺動頻率對焊縫氣孔率的影響,當(dāng)擺動頻率為50 Hz時,氣孔均勻分布在整個焊縫中,直徑為0.2~ 1.3 mm,氣孔率約為8%見圖4(a);當(dāng)擺動頻率為150 Hz時,氣孔率減少至4%見圖4(b),氣孔分布密集程度降低;當(dāng)擺動頻率為250 Hz時,氣孔率迅速降低至1%以下,在整條焊縫中僅存在零星氣孔圖4(c).隨著激光擺動頻率增加,焊縫氣孔率逐漸降低,擺動的頻率增加,可以增加激光光束對小孔后方熔池的攪拌次數(shù),即使在焊接過程中形成氣泡,在激光束的重熔作用下,小孔將與后方熔池貫通,從而抑制熔池中氣泡的凝固過程,進(jìn)而降低焊縫氣孔率[14].不同擺動頻率下,激光光束對熔池后方的攪拌能力強(qiáng)弱,可以由單位周期內(nèi)的光束前進(jìn)距離評估,圖4(d)是相同時間內(nèi)不同擺動頻率下的光束運動軌跡分布,發(fā)現(xiàn)隨著擺動頻率的增加,單位周期內(nèi)的激光光束前進(jìn)距離逐漸降低,由50 Hz時的0.39 mm降至250 Hz時的0.08 mm,當(dāng)擺動頻率僅為50 Hz時,此時單位周期內(nèi)的光束前進(jìn)距離最大(0.39 mm),表明此時光束對熔池后方的攪拌能力較弱,不利于抑制氣泡的凝固過程,因此焊縫氣孔率仍處于很高水平;而當(dāng)擺動頻率升高至250 Hz時,單位周期內(nèi)的光束前進(jìn)距離最小(0.08 mm),激光光束對熔池后方的攪拌能力顯著增強(qiáng),使得熔池中氣泡被捕捉的概率大大提高,最終焊縫氣孔率處于較低水平.
圖4 不同擺動頻率下焊縫氣孔X射線探傷結(jié)果及光束運動軌跡Fig.4 X-ray inspection results and beam motion trajectory with various oscillating frequencies.(a) 50 Hz;(b) 150 Hz;(c) 250 Hz;(d) beam trajectory with various oscillating frequencies
不同擺動頻率下焊縫橫截面形貌特征如圖5所示.隨著擺動頻率的增加,焊縫根部過渡逐漸趨于平滑,由U形逐漸向半圓形過渡,說明擺動頻率的增大,使得焊接過程能量分布更加均勻.有相關(guān)文獻(xiàn)[9]表明,焊縫根部平滑的過渡方式,有利于小孔尖端產(chǎn)生的氣泡逸出熔池,從而降低焊縫氣孔率.隨著激光擺動頻率的增加,焊縫熔深逐漸降低,而熔寬變化不大見圖5(d).當(dāng)激光功率、焊接速度和擺動幅度等參數(shù)一定時,隨著擺動頻率的增加,激光光束的瞬時速度增大見圖5(e),而不同擺動頻率下板材具有相同的激光能量輸入,激光光束瞬時速度的增大會導(dǎo)致在相同激光能量的輸入下與母材作用時間減少,進(jìn)而導(dǎo)致熔深降低.
圖5 不同擺動頻率下焊縫橫截面形貌特征及光束運動速度分布Fig.5 Weld cross-section characteristics and distribution of beam velocity for variable oscillating frequencies.(a)50 Hz;(b) 150 Hz;(c) 250 Hz;(d) cross-section morphology of welds with different oscillating frequencies;(e)distribution of beam velocity with different oscillating frequencies
焊縫形貌不僅受激光能量分布的影響,熔池的宏觀流動也是不可忽視的重要因素,因此,結(jié)合高速攝像對焊接過程進(jìn)行實時監(jiān)測.圖6為不同擺動頻率下的高速攝像圖像,由于電弧模式是脈沖MIG(metal-inert gas welding)焊接方式,電弧的放電過程可以分為峰值階段和基值階段,其中峰值階段對應(yīng)圖6(a)-I,6(b)-I和6(c)-I階段,而圖6(a)-Ⅱ,6(a)-Ⅲ和6(a)-Ⅳ,圖6(b)-Ⅱ,6(b)-Ⅲ和,6(b)-Ⅳ和圖6(c)-Ⅱ,6(c)-Ⅲ和6(c)-Ⅳ階段則對應(yīng)電弧放電過程的基值階段.可以看出,在電流峰值時刻(T0時刻),此時激光-電弧相互作用最強(qiáng)烈,電弧等離子體完全覆蓋激光等離子體,在不同的激光擺動頻率下,電弧均具有良好的穩(wěn)定性,且電弧形態(tài)呈“鐘罩形”.在電流下降階段電弧仍保持相對穩(wěn)定,整體來看波動較小,隨著光束的擺動,小孔在熔池前端做小范圍順時針圓周運動,形成一個直徑為5.3 mm(50 Hz)的渦流區(qū),帶動周圍流動的熔體以激光束掃描中心為圓心沿順時針方向做旋轉(zhuǎn)流動.而熔滴落入?yún)^(qū)域位于小孔后方,在電弧作用力及熔滴沖擊力的驅(qū)動下,在熔池中形成向小孔方向運動的熔流,隨后在馬蘭戈尼力的作用下熔流向熔池尾部流動[15].隨著擺動頻率的增大,渦流區(qū)直徑由150 Hz時的6.7 mm增加至250 Hz時的7.8 mm,表明激光束的擺動對熔池的攪拌效果是逐漸增強(qiáng)的.
圖6 不同擺動頻率高速攝像圖像Fig.6 High-speed imaging results with different oscillating frequencies.(a) 50 Hz;(b) 150 Hz;(c) 250 Hz
圖7為不同擺動頻率下焊縫熔合線附近及焊縫中心電弧區(qū)域的微觀組織,靠近熔合線附近的組織主要由柱狀枝晶組成,且隨著擺動頻率的增加,枝晶的長度明顯縮短;對于焊縫中心電弧區(qū)域的組織,主要由等軸枝晶組成,且隨著擺動頻率的增大,焊縫中心等軸枝晶間距逐漸變得細(xì)小,當(dāng)擺動頻率為250 Hz時,可以看到焊縫中心細(xì)小的等軸枝晶呈彌散分布.不同于常規(guī)激光焊,由于熔池的溫度梯度較大,在焊縫兩側(cè)區(qū)域,枝晶沿?zé)崃鞯膫鲗?dǎo)方向生成長度較長的柱狀晶區(qū),而對于激光擺動焊,由于光束對熔池具有一定的攪拌作用,高溫的熔體流動對熔池尾部糊狀區(qū)域及已凝固區(qū)域進(jìn)行沖刷[15],因此熔池尾部柱狀晶區(qū)將經(jīng)歷重熔再凝過程,導(dǎo)致該區(qū)域柱狀晶長度變短,且隨著擺動頻率的增大,光束擺動對熔池的攪拌作用增強(qiáng),該現(xiàn)象愈發(fā)明顯.而對于焊縫中心等軸枝晶的形成,主要由以下2個原因進(jìn)行說明,一方面,激光擺動焊可以降低固液前沿的溫度梯度,從而促進(jìn)焊縫等軸枝晶的形成[16];另一方面,光束高頻擺動對熔池起到了強(qiáng)烈攪拌作用,在熔池中會形成高速熔流,隨著這些高速熔流的滲透進(jìn)入熔池尾部糊狀區(qū)域,不僅會形成成分過冷抑制二次枝晶的生長,同時高速流動的熔液還會在枝晶間產(chǎn)生強(qiáng)烈對流,使已形成的枝晶發(fā)生破碎進(jìn)而抑制枝晶生長,此外,發(fā)生破碎的枝晶易于受到周圍熔液的擾動,從而進(jìn)入焊縫中心區(qū)域,為中心區(qū)域等軸枝晶的形成提供形核質(zhì)點,從而促進(jìn)中心區(qū)域等軸枝晶的形成[17].在以上機(jī)制的共同作用下,焊縫中心區(qū)域的等軸枝晶形成,并且隨著擺動頻率的增大,熔池的攪拌作用效果越強(qiáng),中心等軸枝晶的細(xì)化越明顯.
圖7 不同擺動頻率下焊縫熔合線附近及焊縫中心微觀組織Fig.7 Microstructure of near fusion line and weld center with different oscillating frequencies.(a) microstructure of the weld near the fusion line at 50 Hz oscillating frequency;(b) microstructure of the weld center at 50 Hz oscillating frequency;(c) microstructure of the weld near the fusion line at 150 Hz oscillating frequency;(d) microstructure of the weld center at 150 Hz oscillating frequency;(e) microstructure of the weld near the fusion line at 250 Hz oscillating frequency;(f) microstructure of the weld center at 250 Hz oscillating frequency
為進(jìn)一步說明不同激光擺動頻率對焊縫中心電弧區(qū)域微觀組織的細(xì)化程度,對焊縫中心微觀組織進(jìn)行EBSD表征分析,圖8是不同擺動頻率下焊縫中心組織的IPF(inverse pole figure)和對應(yīng)的晶粒尺寸分布,可以看出,3組擺動頻率下焊縫中心都分布大量等軸枝晶,但枝晶尺寸大小有明顯差異.當(dāng)擺動頻率為50 Hz時,焊縫中心等軸枝晶粗大,其平均枝晶尺寸達(dá)68 μm;當(dāng)擺動頻率為150 Hz時,焊縫中心枝晶尺寸有所細(xì)化,其平均枝晶尺寸為57 μm;當(dāng)擺動頻率提高到250 Hz時,焊縫中心平均枝晶尺寸為44 μm,其枝晶尺寸細(xì)化明顯.可以發(fā)現(xiàn),擺動頻率增大顯著細(xì)化了焊縫中心的微觀組織.
圖8 不同擺動頻率下焊縫中心組織EBSD圖Fig.8 EBSD of weld center microstructure with different oscillating frequencies.(a) IPF of 50 Hz;(b) IPF 150 Hz;(c)IPF 250 Hz;(d) grain size statistics of microstructure of weld center at 50 Hz oscillating frequency;(e) grain size statistics of microstructure of weld center at 150 Hz oscillating frequency;(f) grain size statistics of microstructure of weld center at 250 Hz oscillating frequency
為了對不同擺動頻率下的顯微硬度進(jìn)行評估,在焊縫橫截面試樣上沿焊縫中部(距橫截面上表面2 mm處)進(jìn)行維氏硬度測試.圖9為不同擺動頻率下焊縫橫截面的顯微硬度分布曲線,從圖中可以看出,焊縫處的顯微硬度明顯低于母材處的顯微硬度,其中,母材處的平均顯微硬度為141 HV,當(dāng)擺動頻率為50 Hz時,焊縫處顯微硬度波動較大,其平均顯微硬度僅為99 HV;當(dāng)擺動頻率為150 Hz時,焊縫處的顯微硬度有所提升,其平均顯微硬度提高到108 HV;而當(dāng)擺動頻率為250 Hz時,此時焊縫處的平均顯微硬度最高為113 HV,同時,其焊縫處硬度波動范圍最小,表明此時焊縫處微觀組織分布均勻,這與之前的微觀組織分析結(jié)果見圖7(f)相一致.另外可以發(fā)現(xiàn),在6061鋁合金激光擺動-電弧復(fù)合焊過程中存在較寬的熱影響區(qū)(~ 1 mm),需要注意的是,隨著距離焊縫中心的增加,熱影響區(qū)的顯微硬度逐漸增加,直到達(dá)到母材的硬度141 HV,這是由于6061鋁合金屬于熱處理強(qiáng)化鋁合金,具有很強(qiáng)的熱敏感性,熱影響區(qū)和焊縫區(qū)毗鄰,加熱過程中受到焊接熱循環(huán)的作用,在相對較高的溫度下,晶粒生長粗化,使得沉淀相溶解生長,從而此處的硬度處于熱影響區(qū)硬度最低值.當(dāng)溫度低于固相線時,微觀結(jié)構(gòu)處于過時效狀態(tài),使得過渡相β″從過飽和固溶體α中析出形成穩(wěn)定β相,共格關(guān)系遭到破壞,共格應(yīng)變減少,進(jìn)而出現(xiàn)熱影響區(qū)軟化.隨著距離焊縫區(qū)域越遠(yuǎn),過時效效應(yīng)越小,直到不在受熱影響區(qū)影響,恢復(fù)母材強(qiáng)度.
圖9 不同擺動頻率接頭橫截面的顯微硬度分布曲線Fig.9 Microhardness distribution curves of welds crosssection under different oscillating frequencies
不同擺動頻率下接頭的應(yīng)力應(yīng)變曲線及斷口形貌圖像如圖10所示.圖10(a)中隨著擺動頻率的增加,接頭抗拉強(qiáng)度顯著升高,當(dāng)擺動頻率為50 Hz時,接頭的抗拉強(qiáng)度最低僅為167 MPa,而母材的抗拉強(qiáng)度為315 MPa,僅能達(dá)到母材53%,這是由于此時焊縫氣孔率(8%)還處于較高水平,另外從斷口形貌中可以看出見圖10(b),斷口中還存在一定數(shù)量細(xì)小的韌窩和大量氣孔,其中最大氣孔直徑能達(dá)到320 μm,氣孔的存在會降低焊縫橫截面的有效截面積并產(chǎn)生應(yīng)力集中,致使焊縫過早斷裂;同時由于擺動頻率僅為50 Hz,較小的擺動頻率不足以起到細(xì)化焊縫微觀組織的作用,基于以上2點原因使得焊縫處的抗拉強(qiáng)度較低;而當(dāng)擺動頻率為150 Hz時,接頭的抗拉強(qiáng)度有較大提升,達(dá)到202 MPa;當(dāng)擺動頻率增加至250 Hz時,由于此時焊縫氣孔率(低于1%)處于很低水平,從斷口形貌中可以看到存在大量細(xì)小的韌窩,呈現(xiàn)典型韌性斷裂特征.同時光束的攪拌作用增強(qiáng),焊縫中心的微觀組織得到了顯著細(xì)化,此時接頭的抗拉強(qiáng)度最高為229 MPa,達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的73%,接頭抗拉強(qiáng)度得到了顯著提升.
圖10 不同擺動頻率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線及斷口形貌Fig.10 The stress-strain curves and fracture morphology at different oscillating frequencies.(a) stressstrain curves of different oscillating frequencies;(b) facture morphology at 50 Hz;(c) facture morphology at 150 Hz;(d) facture morphology at 250 Hz
(1) 采用擺動激光-電弧復(fù)合焊接工藝實現(xiàn)了4 mm厚6061鋁合金鎖底對接焊接,并在激光功率4 500 W、焊接速度20 mm/s、擺動振幅1.5 mm、擺動頻率250 Hz的工藝條件下獲得的接頭力學(xué)性能最優(yōu),抗拉強(qiáng)度為229 MPa,達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的73%.
(2) 擺動頻率的增加,可以增加激光光束對小孔后方熔池的攪拌次數(shù),當(dāng)擺動頻率升高至250 Hz時,激光光束對熔池后方的攪拌能力顯著增強(qiáng),使得熔池中氣泡被捕捉的概率大大提高,最終焊縫氣孔率降至1%以下.
(3) 靠近熔合線附近的組織主要由柱狀枝晶組成,且隨著擺動頻率的增加,枝晶的長度明顯縮短;對于焊縫中心電弧區(qū)域的組織,主要由等軸枝晶組成,且隨著擺動頻率的增加,焊縫中心電弧區(qū)等軸晶枝晶尺寸由68 μm降低到44 μm,擺動頻率的增加顯著細(xì)化了焊縫中心電弧區(qū)域的微觀組織.