[JMRT]填充材料对异种Al-Mg-Si合金CMT-激光振荡复合焊接头组织和性能的影响

前言

铝合金具有密度低、机械性能良好的优点，被广泛用于许多重要的制造业领域，包括汽车、航空和运输行业。含有镁、硅主要合金元素的Al-Mg-Si(6xxx)合金具有卓越的机械性能和比强度，能够在保证安全的情况下减轻重量，从而实现绿色排放。由Al-Mg-Si合金制成的部件对装配工艺的发展提出了新的要求，尤其是在其焊接方面，传统的焊接技术已经显示出其局限性。目前人们已经多次尝试焊接异种铝合金，例如采用激光焊接6xxx/2xxx，采用冷金属过渡(CMT)焊接6xxx/5xxx，采用熔化极惰性气体保护焊(MIG) 6xxx/4xxx。然而，这种复杂的焊接工艺容易导致接头出现晶粒尺寸和析出物粗大、合金元素烧损、气孔和裂纹等缺陷。因此，接头的焊接区域是最薄弱的部位。到目前为止，研究人员一直在研究如何提高接头薄弱区域的质量，这种薄弱区域与熔焊过程的性质有关。一般来说，有两种方法可以改善焊接接头的力学性能。第一，需要选择适当的焊接工艺并进行优化。与MIG焊、钨极气体保护焊(TIG)等常用焊接工艺相比，冷金属过渡焊技术作为一种改进的气体保护电弧焊工艺，具有电弧稳定、热输入低、无飞溅等特点。然而，在铝合金的CMT焊接接头中也观察到了一些缺陷。在过去的研究中，激光焊接逐渐引起了科学家的重视。与传统的焊接工艺相比，激光焊接具有能量密度更高、热影响区更窄、热源控制更精确等优点。但使用激光焊接连接Al-Mg-Si合金仍然面临一些困难，主要是由于其较高的反射率、高导热性和流动性，导致焊接过程中激光吸收性较差。因此，电弧-激光复合焊接是一种优秀的组合，特别是激光振荡焊接(LBOW)作为近年来新兴的焊接方法之一，利用激光束对熔池进行搅拌，有效地提高了熔池的均匀性，从而使焊接过程更加稳定。研究人员发现LBOW可以有效降低气孔率，使焊缝的抗拉强度和伸长率明显高于非振荡焊缝。目前，已经有许多关于CMT和LBOW对Al-Mg-Si合金单独影响的研究。然而，CMT和LBOW工艺对该合金的综合影响尚不清楚。此外，焊接速度、激光功率、焊接电流等焊接参数也可以使焊接过程稳定，从而获得质量更高的焊接接头。提高焊接接头机械性能的另一种方法是通过改变填充材料来改变焊接接头中的合金成分。合金元素的加入会影响接头的微观组织，从而影响接头的力学性能。近年来，由于构件组合的重要性，异种铝合金的焊接研究在现代工业中越来越受到重视，但通过改变填充材料来调节异种焊接接头合金成分的尝试很少。Al-Si填充焊丝可以在焊接过程中保持良好的流动性，从而降低开裂的敏感性，提高机械性能。据报道，用于填充的Al-Mg焊丝也非常适用于没有裂纹和其他缺陷的完好Al-Mg-Si焊缝。本文报道了6082铝合金(用于汽车车身)和6xxx系列新型铝合金(我组新开发，本文命名为WHS)在两种不同填充材料ER4047和ER5183下的CMT-激光振荡复合焊接行为。这是首次对这些材料进行比较研究，我们确定了微观结构和机械性能，并详细阐述了它们与加工(焊接)条件和成分的关系。研究结果为焊接6082和6xxx WHS等异种铝合金的基本原理提供了新的见解，因此对工业和制造业具有重要意义。本研究成果“Effect of filling materials on microstructure and properties of CMT-laser beam oscillation hybrid welding behavior of dissimilar Al-Mg-Si alloys”发表于期刊“Journal of Materials Research and Technology”。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.132.

正文

本文使用了两种类型的母材金属：厚度为2 mm的6082-T6铝合金和WHS-T6铝合金薄板。6082和WHS合金之间的主要区别在于后者的Cu含量略高。使用的填充材料是ER4047(Al-Si丝)和ER5183(Al-Mg丝)。焊接前，对母材金属进行机械抛光以去除氧化膜，并用丙酮和乙醇喷涂以去除油污。 CMT-激光振荡复合焊接系统包括一台Fromius CMT TPS 500i弧焊机和一台CWX-3000光纤激光器，该光纤激光器配备一组反射镜使激光束偏转产生圆振荡。CMT焊枪与支架之间的夹角约为60 ° ，激光束与试样的夹角为80 ° ，线间距为 3.0 mm 。焊接过程中使用高纯度氩气作为保护气体，流速为 25L/min。为了获得高质量的接头，不断调整和优化工艺参数。为了准确地研究焊缝中晶粒的类型、分布和尺寸，将焊缝中心的晶粒通过电子背散射衍射技术( EBSD) 和反极图( IPF)进行表征。图1为两种接头焊缝中心的晶粒尺寸和比例，ER5183接头的晶粒尺寸(60.8 mm)明显小于ER4047接头的晶粒尺寸(84.4 mm)。一般认为，晶粒尺寸的变化可能是由于合金内部粗颗粒和弥散体体积分数和分布的变化。粗颗粒很重要，因为它们能够为颗粒诱导成核提供成核位置，而弥散体在最终凝固或固溶处理过程中限制了晶粒的长大。因此，高溶质焊接可能导致出现较小的晶粒尺寸。在ER5183接头中，析出相的分散可以通过增加粗颗粒的体积分数来抵消弥散体对晶粒细化的负面影响。在本研究中， ER5183接头中Mg和Mn的含量高于ER4047接头，导致ER5183接头界面处过冷度较高。过冷度越高，液态金属的温度梯度越大，导致ER5183接头的晶粒比ER4047接头细。除了决定晶粒长大的温度梯度外，溶质还通过形核偏析和生长限制效应在晶粒细化中起着重要作用。

图1. EBSD图谱及晶粒度分析:不同焊丝成分接头的IPF图像和晶粒度分布(a-b)ER4047 (c-d)ER5183

图2为两个接头的晶界分布和位错角(MAs)的分布及其比例。2度到15度之间的低角度边界(LABs)由红线表示，而15度以上的高角度边界(HABs)由黑线表示。两个接头的LABs和HABs比例不同。在ER4047接头中，LABs的比例为13%，平均取向角为36.2°，而在ER5183接头中，LABs的比例为7.9%，平均取向角度为38.9°。通常，有两个因素会导致HABs的增加：动态再结晶和晶界迁移，因为变形过程中的材料流动会产生HABs。由于ER4047接头中的高Si含量提高了金属在凝固过程中的流动性，因此，HABs的比例高于ER5183接头中的比例。