Al-Li-Er合金的激光焊接工艺与组织性能研究

唐 威

(山西机电职业技术学院 材料工程系，山西 长治 046011)

Al-Li合金由于具有密度低、比强度高、抗疲劳性能优异等特性，在航空航天领域得到了广泛应用，符合新时期飞机设计制造的轻量化和高性能发展的主题[1-2]。中国商用飞机有限公司开发的C919飞机的主体结构材料(如大型壁板等)中应用了新型Al-Li-Er合金，这主要是因为新型Al-Li-Er合金除具有传统Al-Li合金的性能优势外，还由于微量Er元素的加入而提升了抗疲劳、抗冲击等能力，因此，具有较好的应用前景[3]。目前，在实际应用过程中，飞机装配大多采用铆接技术进行连接，增加了飞机自重和表面蒙皮质量，而激光焊接技术作为一种具有焊接速度高、变形量小等优点的新型焊接方法，在空客A380等大型客机的6XXX系铝合金上已有成功应用。但关于Al-Li-Er铝合金的激光焊接方面的研究报道较少，具体激光焊接工艺参数对合金焊接接头组织与性能影响的作用规律尚不清楚[4-6]。因此，本文以第四代Al-Li-Er可热处理强化铝合金为研究对象，考察激光填丝焊接工艺参数对焊接接头组织与力学性能的影响，拟为高性能Al-Li-Er合金的连接质量提升和工业应用提供参考。

1 试验材料与方法

试验合金为第四代Al-Li-Er可热处理强化铝合金，最终状态为固溶+冷加工+人工时效；采用激光焊接的方法对Al-Li-Er合金进行焊接处理，焊丝为Φ1.2 mm的2319铝合金焊丝；母材和焊丝的具体化学成分采用ICP法测得，结果如表1所示。

表1 母材与焊丝的化学成分 (质量分数，%)

采用YLS-8000型光纤激光器对Al-Li-Er合金进行激光焊接，焊接系统配置KRC-50型六轴关节机械臂，激光束直径为0.25 mm，激光最大功率为6 kW，激光波长为1 065 nm，激光功率P设定为5 kW(A-1)、4 kW(A-2)和3 kW(A-3)；焊接速度Vw设定为5 m/min(B-1)、4 m/min(B-2)和3 m/min(B-3)；送丝速度Vf设定为5 m/min(C-1)、4 m/min(C-2)、3 m/min(C-3)、2 m/min(C-4)和1 m/min(C-5)。Al-Li-Er合金激光焊焊接示意图如图1所示，其中，母材焊接前预先进行表面除油(25%氢氧化钠溶液浸泡)、清水清洗和吹干处理。

图1 Al-Li-Er合金激光焊焊接示意图

采用线切割方法将激光焊接接头加工成块状试样后，经过砂纸打磨、机械抛光和腐蚀(3.5%硝酸酒精溶液)后，在Leica DM6M型光学显微镜上观察；采用HVS-1000型数显维氏硬度计进行硬度测试，取3点平均值作为结果；室温拉伸性能测试在Zwick万能材料试验机上进行，拉伸速率为5 mm/min；拉伸断口形貌在S-3400型扫描电镜上进行观察。

2 结果与分析

图2为不同激光焊接工艺参数下Al-Li-Er合金焊接接头的焊缝面积统计结果，其中，激光功率P与焊接速度Vw的比值不变。可见，当送丝速度Vf为3 m/min时，Al-Li-Er合金焊接接头的焊缝面积随着激光功率和焊接速度的增大而逐渐减小；当送丝速度Vf为4 m/min时，Al-Li-Er合金焊接接头的焊缝面积的变化规律与送丝速度Vf为3 m/min时相同，都表现为随着激光功率和焊接速度增大而减小。在相同激光功率和焊接速度时，送丝速度的增加会增大焊缝面积，这主要是因为在激光功率和焊接速度不变时，送丝速度的增加会增加熔池中的填料，相应地焊丝凝固后焊缝区域的面积会随之增加[7]。

图2 不同激光焊接工艺参数下Al-Li-Er合金焊接接头的焊缝面积统计结果

图3为不同激光焊接工艺参数下Al-Li-Er合金焊接接头的焊缝余高系数统计结果，分别列出了不同送丝速度下焊接接头上余高系数和下余高系数。从激光焊接接头上余高系数与送丝速度的关系曲线可知，在激光功率和焊接速度比值不变的前提下，随着送丝速度的增加，激光焊接接头的上余高系数呈现逐渐增加的趋势，且在相同送丝速度下，激光功率和焊接速度越大则相应的上余高系数越大；从激光焊接接头下余高系数与送丝速度的关系曲线可知，在激光功率和焊接速度比值不变的前提下，随着送丝速度的增加，激光焊接接头的下余高系数也呈现逐渐增加的趋势，但在相同送丝速度下，下余高系数会随着激光功率和焊接速度的增加而呈现先增大后减小的特征，在激光功率P为4 kW、焊接速度Vw为4 m/min时可取得下余高系数最大值。

(a)上余高

表2为不同激光焊接工艺参数下Al-Li-Er合金焊接接头的焊接热裂纹统计结果，分别列出了不同激光功率、焊接速度和送丝速度下焊接接头中的焊接热裂纹情况。从统计结果可知，高激光功率(A-1)和高焊接速度(B-1)下，无论怎么改变送丝速度(5 m/min，4 m/min，3 m/min和2 m/min)，Al-Li-Er合金焊接接头中都存在焊接热裂纹；适当降低激光功率至4 kW和焊接速度至4 m/min，当送丝速度控制在2～5 m/min时，Al-Li-Er合金焊接接头中仍然都存在焊接热裂纹；进一步降低激光功率至3 kW和焊接速度至3 m/min，当送丝速度为3 m/min和2 m/min时，Al-Li-Er合金焊接接头中未见焊接热裂纹，而送丝速度为4 m/min和1 m/min时，Al-Li-Er合金焊接接头中则又可见焊接热裂纹。由此可见，高激光功率和高焊接速度下，Al-Li-Er合金焊接接头中更容易出现焊接热裂纹，这主要是因为高激光功率下作用于合金焊接接头的时间较短而使熔池冷却速度快、内部应力增大导致的[8]；低激光功率和低焊接速度下Al-Li-Er合金焊接接头中出现焊接热裂纹的概率较小，且控制适当的送丝速度(3 m/min和2 m/min)可以有效避免焊接热裂纹的出现，这主要是因为送丝速度过快会造成焊缝余高太大、热量不容易传递，而送丝速度过小则会造成熔池在凝固过程中无法愈合晶界的情况，从而出现热裂纹[9]。

表2 不同激光焊接工艺参数下Al-Li-Er合金焊接接头的焊接热裂纹统计结果

图4为Al-Li-Er合金焊接接头的金相组织，分别列出了Al-Li-Er合金焊接接头的整体形貌、焊缝中心和熔合区的显微组织，其中，激光功率、焊接速度和送丝速度分别为3 kW，3 m/min和2 m/min。由图4(a)焊接接头整体形貌可见，激光焊接接头成形质量良好，焊接接头中未见气孔或者微裂纹等缺陷存在；由图4(b)焊接接头焊缝中心的显微组织可见，焊接接头焊缝中心同时存在树枝晶和等轴晶，且组织较为细小；由图4(c)和图4(d)的上部熔合区和下部熔合区的显微组织可见，上部熔合区附近存在明显垂直于熔合线的柱状晶，而下部熔合区附近则有等轴细晶区(EQZ)存在，宽度约45 μm，平均晶粒尺寸约8 μm。上部熔合区和下部熔合区都与母材过渡良好。

(a)焊接接头整体形貌

图5为Al-Li-Er合金焊接接头的硬度分布曲线，其中，激光功率为3 kW、焊接速度为3 m/min、送丝速度为2 m/min。可见，焊缝区宽度约为2 mm，硬度相对熔合区和母材较低；Al-Li-Er合金母材的硬度约为158 HV，而焊缝中心的平均硬度约为95 HV；熔合区宽度约为3 mm，硬度介于焊缝与母材之间。

图5 Al-Li-Er合金焊接接头的硬度分布曲线

表3为Al-Li-Er合金焊接接头的室温拉伸性能测试结果，其中，激光功率为3 kW，焊接速度为3 m/min，送丝速度为2 m/min。可见，Al-Li-Er合金焊接接头的抗拉强度平均值为283 MPa，屈服强度平均值为215 MPa，断后伸长率平均值为6.7%，而Al-Li-Er合金母材的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为332 MPa，265 MPa和7.8%，激光焊接接头试样的抗拉强度平均值约为母材的85.24%，屈服强度平均值约为母材的81.26%，断后伸长率平均值约为母材的85.89%。可见，采用本文的激光焊接工艺得到的焊接接头的室温拉伸性能与母材较为接近。

表3 Al-Li-Er合金焊接接头的室温拉伸性能测试结果

图6为Al-Li-Er合金焊接接头的拉伸断口形貌，其中，激光功率为3 kW，焊接速度为3 m/min，送丝速度为2 m/min。可见，Al-Li-Er合金焊接接头的断裂位置位于焊缝区，拉伸断口主要由沿晶断口和细小韧窝组成，表现为准解理断裂特征，这与表3的测试结果相吻合。由于Al-Li-Er合金中含有微量Er元素，可以在一定程度上起到细化晶粒、净化除杂以及可形成纳米级Al3Er强化相[10]，因此，Al-Li-Er合金母材具有较好的强塑性，而且激光焊接接头中细小等轴晶组织也保证了焊接接头具有较好的强塑性。

图6 Al-Li-Er合金焊接接头的拉伸断口形貌

3 结论

(1)当送丝速度为3 m/min时，Al-Li-Er合金焊接接头的焊缝面积会随着激光功率和焊接速度的增大而逐渐减小；当送丝速度为4 m/min时，Al-Li-Er合金焊接接头的焊缝面积的变化规律与送丝速度为3 m/min时相同，都表现为随着激光功率和焊接速度增大而减小。在相同激光功率和焊接速度时，送丝速度的增加会增大焊缝面积。

(2)在激光功率和焊接速度不变的前提下，随着送丝速度的增加，激光焊接接头的上余高系数和下余高系数都呈现逐渐增加的趋势。在高激光功率和高焊接速度下，Al-Li-Er合金焊接接头中更容易出现焊接热裂纹；而在低激光功率和低焊接速度下，Al-Li-Er合金焊接接头中出现焊接热裂纹的概率较小。

(3)激光功率、焊接速度和送丝速度分别为3 kW，3 m/min和2 m/min时，Al-Li-Er合金焊缝区宽度约为2 mm，焊缝区硬度相对熔合区和母材较低；Al-Li-Er合金焊接接头的抗拉强度平均值为283 MPa，屈服强度平均值为215 MPa，断后伸长率平均值为6.7%，而Al-Li-Er合金母材的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别为332 MPa，265 MPa和7.8%，激光焊接工艺得到的焊接接头的室温拉伸性能与母材较为接近。

(4)Al-Li-Er合金焊接接头的断裂位置位于焊缝区，拉伸断口主要由沿晶断口和细小韧窝组成，表现为准解理断裂特征。