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6061 铝合金激光焊接头的软化机理蔡佳思，王新元，李秀梅，魏艳红，龙金卫，孔斌（南京航空航天大学，南京211106）摘要：采用试验和数值模拟相结合的研究方法，对 2mm 厚的 6061 铝合金薄板的焊接性及接头软化机理进行了深入分析及探讨。拉伸试验结果表明，随着热输入的增加，接头宏观成形呈现从未焊透向成形优良及焊穿过渡的趋势，抗拉强度呈现先增加后减小的变化规律。在激光功率为 2.6kW、焊接速度为 1.5m/min 的最优工艺下，接头强度达到母材强度的 98%，几乎和母材等强，接头软化程度最低。采用微观组织表征设备（SEM，OM）观察并测量气孔位置和尺寸、焊缝塌陷高度、咬边最大距离及联生结晶区柱状晶主干长度随塌陷位移的变化，全方面分析总结接头软化的原因。建立宏微观耦合跨尺度组织演化有限元元胞自动机模型（FEM-CAM），对比不同焊接工艺参数下模拟结果和试验测量的熔池形貌，验证了 FEM 的准确性；将宏观温度场模拟结果作为热输入，基于固液界面溶质平衡法计算枝晶生长驱动力。联生结晶区柱状晶一次枝晶干长度沿厚度方向变化 CAM模拟结果和 OM 表征测量结果一致。因此，文中建立的耦合模型可以揭示熔池凝固过程枝晶的动态演化机制及生长规律。关键词：6061 铝合金；激光焊；接头软化；有限元模型；元胞自动机模型中图分类号：TG456.7文献标识码：Adoi：10.12073/j.hj.20220519003Softening mechanism of laser welded joints of 6061 aluminum alloyCaiJiasi,WangXinyuan,LiXiumei,WeiYanhong,LongJinwei,KongBin(NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)Abstract：Weldabilityandjointsofteningmechanismof2mmthick6061aluminumalloysheetweredeeplyanalyzedanddiscussedbymeansoftestandnumericalsimulation.Tensiletestresultsshowedthatwiththeincreaseofheatinput,macroformingofweldedjointspresentedtransitionfromincompletepenetrationtoexcellentformingandburnthrough,andtensilestrengthfirstincreasedandthendecreased.Undertheoptimalprocessof2.6kWlaserpowerand1.5m/minweldingspeed,strengthofweldedjointsreached98%thatofbasemetal,almostasstrongasbasemetal,andsofteningdegreeofweldedjointswasthelowest.Microstructurecharacterizationequipment(SEM,OM)wasusedtoobserveandmeasurepositionandsizeofpores,heightofweldcollapse,maximumdistanceofundercut,maximumdistanceofbiteedgeandlengthofcolumnarcrystaltrunkintheepitaxialsolidificationzonewithcollapsedisplacement,andcausesofjointsofteningwereanalyzedandsummarized in all aspects.A macro-micro coupled finite element model with cellular automata model(FEM-CAM)for cross scalemicrostructureevolutionwasestablished.AccuracyofFEMwasverifiedbycomparingsimulationresultsunderdifferentweldingparametersandmoltenpoolmorphologyunderexperimentalmeasurement.Takingsimulationresultsofmacrotemperaturefieldasheatinput,drivingforceofdendritegrowthwascalculatedbasedonsolid-liquidinterfacesolutebalancemethod.CAMsimulationresultsofprimarydendritelengthvariationofcolumnarcrystalsalongthethicknessdirectioninepitaxialsolidificationzonewereconsistentwithmeasurementresultsofOMcharacterization.Therefore,couplingmodelestablishedinthispapercouldrevealdynamicevolutionmechanismandgrowthlawofdendriteduringsolidificationprocessofmoltenpool.Key words：6061aluminumalloy,laserwelding,jointsoftening,finiteelementmodel,cellularautomatamodel0前言6061 铝合金是 Al-Mg-Si 系可热处理强化锻铝合金，具有良好的成形性、焊接性及加工性，且具备等强度及无晶间腐蚀倾向，广泛应用于要求有一定强度和抗蚀性高的各种工业结构件，如航空固定装置、收稿日期：20220519Research Paper试验研究2023 年第 7 期9载货汽车、塔式建筑、船舶、管道12。在众多焊接方法中，激光焊比电弧焊能量密度集中、生产效率高，能够得到变形小、精度高、质量优异的接头，因此，激光焊已经成为铝及铝合金轻量化设计的先进成形工艺34。在铝合金激光焊过程中，由于高激光反射率、优良的流动性及液固相相差 20 倍的氢溶解度差异会导致焊缝极易产生未焊透、整体塌陷、焊接气孔及软化等问题57。气孔的存在会影响焊接的致密性，降低有效承载面积和重量，导致焊接接头的强度、耐蚀性及塑韧性受到一定程度的影响，因而焊接时，需严格控制焊接过程的激光功率及焊接速度，以获得成形好、气孔率低、质量优异的接头，推进铝合金激光焊构件的实际工程应用89。学者们1012通过研究不同激光焊接工艺参数下接头组织类型及尺寸、析出物分布特性、断口形貌及力学性能的对应关系，得到了较优的焊接工艺参数及成形良好的焊接接头，以改善接头力学性能和降低气孔率。周立涛13研究了扫描轨迹、扫描幅度及扫描频率等激光扫描焊接参数对 6061 铝合金激光深熔焊接小孔型气孔缺陷的抑制规律及焊缝成形规律，发现：较高的激光功率和适当的焊接速度能够显著降低气孔率。Babalov等学者14及 Yu 等学者15采用商用软件模拟了不同牌号铝合金弧焊、激光-MIG 复合焊及高能束焊接过程的温度场分布，熔池形貌及提取得到热循环曲线和试验测量结果吻合良好。Kou学者16发现熔合线处联生结晶现象，即液态金属原子会直接排列在原有基体晶粒上，不会改变本来的晶体择优取向，新形成的晶粒会沿着母材晶粒的晶体择优取向继续向焊缝中心生长。Gu 等学者17建立了 2xxx 系铝合金激光焊熔池柱状晶定向凝固三维元胞自动机（Cellularautomata,CA）模型，分析了组织演化过程溶质场分布及冷却速度对枝晶形貌的影响。Chen 等学者18建立镍基合金 TIG 接头热影响区晶粒长大及熔池枝晶形核演化跨尺度 CA 模型。文中采用数值仿真和试验验证相结合的研究方法。首先，构建了焊接温度场及组织预测有限元-元胞自动机（Finiteelement-cellularautomata,FE-CA）宏介观多尺度模型，成功动态再现了焊接熔池边缘联生结晶行为，揭示了熔池内部不同区域的热循环对枝晶形核长大的调控机制。进一步开展了 6061 铝合金焊接性工艺探索试验，基于 UTM 电子万能试验机开展接头力学性能测试及变化规律研究，结合 SEM，OM 定量分析咬边、焊缝下塌过程联生结晶区尺寸变化、气孔尺寸，揭示激光功率、焊接速度对接头软化影响规律，并得到较优优化工艺；最终对比试验和模拟结果，验证了 FE-CA 多尺度模型及代码的有效性及准确性。1试验材料及方法针对尺寸为 100mm50mm2mm 的 6061 铝合金薄板开展拼焊试验，6061 铝合金化学成分见表 1。焊接前用砂纸将试板焊缝区域和近缝区进行打磨，去除表面氧化层和油污，然后用酒精擦拭试板表面，将表面的灰尘、细小颗粒和油污除净，吹干后待焊。试验中使用的激光器为 TruDisk4001 碟片式光纤激光器，机器人/送丝机构及示教器型号为通快TruLaserCell3000。激光焊接原理示意图如图 1 所示。焊接工艺参数见表 2。根据 GB/T228.12010金属材料拉伸试验第 1 部分：室温试验方法标准切割拉伸件并开展拉伸试验，获得不同焊接工艺参数下的接头强度。通过切割打磨抛光腐蚀获得接头金相式样，借助 TESCANLYRA3GMU 电离双束电子显微镜、4XC 倒置金相显微镜观察拍摄测量焊缝下塌距离及气孔尺寸。表 1 6061 铝合金化学成分（质量分数，%）CuMgSiZnCrTiMnFeAl0.150.40.81.20.40.80.250.040.350.150.150.7余量熔池焊接方向6061等离子气体保护气体示教器激光器激光束机器人图1激光焊接原理示意图试验研究Research Paper102023 年第 7 期2构建模型2.1建立几何模型为了兼顾计算精度和效率，该文在建立网格模型时采用了 21 网格疏密过渡的方式。焊缝及其附近区域在焊接过程温度变化剧烈，是研究宏观温度场和微观组织的主要区域，对计算精度的要求较高，故采用较小的网格尺寸，而距离焊缝较远的区域在焊接过程温度变化较小，因此采用较粗的网格。划分后的网格模型如图 2 所示。网格模型中共包含 22712单元和 28795 节点。其中，为了便于有限元模型和元胞自动机模型的耦合，网格类型采用均匀的六面体结构，焊缝及其附近的网格尺寸为0.5mm。2 1 过渡2 1 过渡图2网格划分策略及模型示意图2.26061 铝合金高温热物理性能参数准确的高温热物理性能参数应用 JmatPro 计算6061 铝合金比热容、热导率等参数随温度变化，分别如图 3 和图 4 所示，为有限元模型提供材料模型建立基础。比热容 c/(Jg1K1)5001 0001 5002 0000510152025温度 T/图3比热容随温度变化05001 0001 5002 000热导率/(Wm1K1)80100120140160180200220240温度 T/图4热导率随温度变化2.3热源模型和热边界条件激光焊作为一种高能束焊接方法，其热流密度不只作用于工件表面，在工件厚度方向上热流的作用也比较显著，因此，该文采用能够很好模拟构件温度场分布及熔池形貌的双椭球体热源模型，其热流密表 2 焊接工艺参数编号板厚b/mm热输入E/(kJm1)激光功率P/kW焊接速度v/(mmin1)保护气体流量Q/(Lmin1)离焦量Df/mm保护气体保护方式12962.41.5200旁轴 15侧吹221042.61.5200旁轴 15侧吹321122.81