5A01铝合金薄板激光摆动焊接接头微观组织与力学性能_范霁康.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.1Jan.2023第 53 卷 第 1 期2023 年1 月5A01铝合金薄板激光摆动焊接接头微观组织与力学性能范霁康1，2，马立1，倪程1，宋友民2，王克鸿11.南京理工大学 受控电弧智能增材技术工业和信息化部重点实验室，江苏 南京 2100942.昆山华恒焊接股份有限公司，江苏 昆山 215300摘要：传统弧焊焊接铝合金时易造成焊缝区晶粒粗大、产生气孔等缺陷。因此采用激光摆动焊对 1.0 mm 厚5A01铝合金薄板进行试验研究，并对接头微观组织及力学性能进行分析。结果表明，在表面聚焦条件下，当焊接速度40 mm/s，激光功率1 600 W，脉冲频率5 000 Hz，摆动频率110 Hz，摆动幅值0.5 mm时，能够获得成形良好、表面无缺陷的焊接接头；接头熔合区附近的晶体形态呈柱状晶，焊缝中心部位晶体生长为细小的等轴枝晶；从母材区向焊缝区硬度逐渐降低，接头抗拉强度约为母材的66%，断后伸长率约为母材的41%，断裂形式主要为韧窝断裂。接头力学性能明显下降，主要是由于气孔处易产生应力集中，且激光焊能量集中，导致薄板受热不均产生较大内应力。关键词：5A01铝合金；激光摆动焊；微观组织；力学性能中图分类号：TG457.14 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）01-0038-06Microstructure and Mechanical Properties of 5A01 Aluminum Alloy Sheet Joint Welded by Laser Oscillation WeldingFAN Jikang1,2,MA Li1,NI Cheng1,SONG Youmin2,WANG Kehong11.The Key Laboratory of Controlled Arc Intelligent Additive Technology Ministry of Industry and Information Technology,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China2.Kunshan Huaheng Welding Co.,Ltd.,Kunshan 215300,ChinaAbstract:When aluminum alloy is welded by arc welding process,it is easy to cause coarse grain in the weld zone and produce defects such as pores and cracks.The laser oscillation welding tests of 1.0 mm thick 5A01 aluminum alloy sheet were carried out,and the microstructure and mechanical properties of the joint were studied.The results show that under the condition of surface focusing,when the robot speed is 40 mm/s,laser power is 1 600 W,pulse frequency is 5 000 Hz,swing frequency is 110 Hz,and swing amplitude is 0.5 mm,the joint with good formability can be obtained.It was found that the columnar grains grow mainly along the fusion zone and the weld center is mainly composed of fine equi-axed crystal.The hardness gradually decreases from the base metal zone to the weld zone.The tensile strength of the joint is about 66%of the base metal,and the elongation is about 41%of the base metal.The fracture form of the joint is dimple fracture.The mechanical properties of the joints are significantly reduced,mainly due to the stress concentration easily generated at the porosity *收稿日期：2022-03-18修回日期：2022-07-15基金项目：江苏省博士后基金（20190103）；昆山头雁工程项目（KJJ20190007）；昆山市重点研发计划项目（KJJZDYFKJZL2020003）作者简介：范霁康（1988），男，博士，副研究员，主要从事高能束流焊接技术方面的研究。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.06and the concentrated energy of laser welding,resulting in uneven heating of the thin plate generating large internal stresses.Keywords:5A01 aluminum alloy;laser welding;microstructure;mechanical properties引用格式：范霁康，马立，倪程，等.5A01铝合金薄板激光摆动焊接接头微观组织与力学性能 J.电焊机，2023，53（1）：38-43.Citation:FAN Jikang,MA Li,NI Cheng,et al.Microstructure and Mechanical Properties of 5A01 Aluminum Alloy Sheet Joint Welded by Laser Oscillation WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):38-43.0前言5A01铝合金是一种非热处理强化合金，因具有良好的加工性能以及较高的疲劳强度、塑性、耐蚀性等机械性能，在航空航天、船舶、车辆、压力容器等领域应用广泛1。传统弧焊方法焊接效率低、热输入大，焊接铝合金时易造成焊缝区晶粒粗大，产生气孔、裂纹等缺陷，而高能量密度的激光焊凭借焊接热影响区小、焊接质量好等优点成为铝合金主流焊接工艺之一，但其热影响区是薄壁构件整体承载的薄弱环节，且焊接变形问题严重。林相远等2采用弧焊和激光焊焊接3 mm厚6系铝合金，对比分析了使用激光焊接铝合金的优势，结果表明采用高功率激光填丝焊能够获得组织性能优异的焊接接头。Abioye T E等3对0.6 mm厚AA5052-H32铝合金进行了脉冲激光焊接，结果表明在高脉冲能量（25 J）、高平均峰值功率（4.2 kW）或者低脉冲能量（17.6 J）、低平均峰值功率（2.8 kW）下，均能获得符合要求的高质量焊缝。陈根余4等使用超声波辅助激光焊对1 mm厚6061铝合金进行焊接，探究了超声波对6061铝合金焊接变形的抑制作用。刘怀亮5等人探究了采用激光摆动焊接工艺焊接6061铝合金，通过调整焊接速度与激光功率的匹配关系，能够形成稳定均匀的鱼鳞纹状焊缝形貌。余世文6等人采用激光摆动焊接方法对6 mm厚5183 铝合金进行焊接，通过调节激光摆动参数获得了气孔率极低的焊接接头，进一步提高了焊缝的力学性能。然而，对5A01铝合金薄板激光焊的研究还鲜有报道。激光摆动焊是利用扫描振镜实现聚焦光束的摆动，与传统固定光束相比，具有焊接精度高、焊缝成形好、可抑制飞溅和气孔等优点7。本文使用IPG光纤激光器对1.0 mm厚5A01铝合金薄板进行脉冲激光摆动焊接试验，得到焊缝成形良好的工艺参数，并对焊接接头的显微组织和力学性能进行分析。1试验材料与方法试验采用两块100 mm100 mm1 mm的5A01铝合金试板进行拼焊，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。焊前首先用丙酮擦洗铝板，去除铝板上的油污，然后用角磨机打磨去除铝板表面的氧化膜。由于焊接试板较薄，焊接时采用压板进行固定，将两块试板安装间隙控制在0.15 mm以下，同时还可以防止焊接过程中出现错动以及焊接变形。保护气体为纯Ar。经过前期大量试验得知，当激光功率较低时，所需焊接速度较小，此时焊接过程中的稳定性变差，焊缝成形也会受到影响；当选用激光功率过高时，所需焊接速度大，易造成焊缝不连续。本研究采用的激光焊接参数如表3所示。试验采用IPG公司的6 kW光纤激光器，激光焊接头为Precitec公司的YW52摆动焊接头，焊接时可通过扫描振镜使光束沿垂直于焊接方向进行扫描，实现激光摆动焊接，如图1所示。为了防止铝合金的回反光烧毁激光器，焊接时焊接头向焊接方向倾斜15。表15A01铝合金的化学成分（质量分数，%）Table 1Chemical compositions of 5A01 aluminum alloy（wt.%）表25A01铝合金的力学性能Table 2Mechanical properties of 5A01 aluminum alloy表 3焊接工艺参数Table 3Welding parameters第 1 期范霁康，等：5A01 铝合金薄板激光摆动焊接接头微观组织与力学性能and the concentrated energy of laser welding,resulting in uneven heating of the thin plate generating large internal stresses.Keywords:5A01 aluminum alloy;laser welding;microstructure;mechanical properties引用格式：范霁康，马立，倪程，等.5A01铝合金薄板激光摆动焊接接头微观组织与力学性能 J.电焊机，2023，53（1）：38-43.Citation:FAN Jikang,MA Li,NI Cheng,et al.Microstructure and Mechanical Properties of 5A01 Aluminum Alloy Sheet Joint Welded by Laser Oscillation WeldingJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):38-43.0前言5A01铝合金是一种非热处理强化合金，因具有良好的加工性能以及较高的疲劳强度、塑性、耐蚀性等机械性能，在航空航天、船舶、车辆、压力容器等领域应用广泛1。传统弧焊方法焊接效率低、热输入大，焊接铝合金时易造成焊缝区晶粒粗大，产生气孔、裂纹等缺陷，而高能量密度的激光焊凭借焊接热影响区小、焊接质量好等优点成为铝合金主流焊接工艺之一，但其热影响区是薄壁构件整体承载的薄弱环节，且焊接变形问题严重。林相远等2采用弧焊和激光焊焊接3 mm厚6系铝合金，对比分析了使用激光焊接铝合金的优势，结果表明采用高功率激光填丝焊能够获得组织性能优异的焊接接头。Abioye T E等3对0.6 mm厚AA5052-H32铝合金进行了脉冲激光焊接，结果表明在高脉冲能量（25 J）、高平均峰值功率（4.2 kW）或者低脉冲能量（17.6 J）、低平均峰值功率（2.8 kW）下，均能获得符合要求的高质量焊缝。陈根余4等使用超声波辅助激光焊对1 mm厚6061铝合