功率的增加，焊点拉力增加。在峰值功率为200 W时， 随着脉冲宽度的增加，焊背痕越来越明显。通过对 焊点截面形貌进行分析，当焊点的熔深小于0. 30 << 时，焊背
。
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L
。
6061铝合金激光填丝焊接接头组织与性能
*
(!上海航天设备制造总厂有限公司，
( ( * 2
200245 $2.南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京211106)
摘要以2 <<厚6061 -T651铝合金的激光填丝焊对接接头为研究对象，利用光学显微镜、SEM、：EDS、显微硬 度计分析了优化试验 表明，由 的析
匀分
下焊接接头的显微组织、析
小的 等
形态、分及成分，
试了接头的显微硬度。分析结果窄。在焊缝
，大量
和
：
光焊具有能量集中、热
、 硬
，焊缝晶粒细小且热影响 。
，对焊缝的力学性能有显著影响。此外，焊后焊缝区的硬度远高于热影响区和母材，这
焊缝 大量析 的增
关键词：6061铝合金激光填丝焊显微组织接头性能 中图分类号：TG457.14
0 前言
合金由于密度低、强度高、 ，
用
好等.特
等领。激光
小以及热影响区窄等 易
、汽车、船舶、轨道 具
的
而备 [7_9]。 是，焊
、气孔、裂纹等冶金 合金，
，接头强度较低。
光器焊接2
硬度 母提高
明行了
D. Narsimhachary等人[10]采用
<<厚的6061 焊后焊缝 后焊缝硬度 了丝焊和
合金，
[1<。而焊接在提高材料利用率，降低成本以及减 轻招合金结构重量等方
焊接铝合金，因为焊接效率高、焊缝深
大、晶细
材有明显降低，经热 6xq铝合金激光焊接， 密
， [12]采用光
显低于母材。Y. Hiroto等人[11]采用C(V激光
丝对减少裂纹 光器焊接
焊的焊缝以获得和提高
51
。S. Katayama等光丝焊，通
收稿日期！ 2018-03-01
基金项目！国家自然科学基金（U1637103 );上海航天科技创新基金
(SAST2017 - 061 )。
气孔的焊缝。研究证明， 材料可以有效
焊缝成形、减少冶金
2018年第6期
始猱生产应用
焊接接头质量，对铝合金的实际应用具有重要意义。 翟玉峰等人[13]研究了 1. 8 mm厚的6061铝合金激光 填丝焊工艺，发现与填充ER5356焊丝相比，填充
ER4043焊丝的焊接接头热裂纹敏感性更低。姜亦帅
足其在航空航天领域的广泛应用。
文中采用优化后的焊接工艺参数，获得了焊缝成 型良好、无明显焊接缺陷的焊接试样，并对焊接接头进
行微观组织分析及显微硬度测试，初步研究了 6061铝 合金激光填丝焊对接接头的组织形态及性能。
1
试验材料与设备
等人[14]研究了激光填丝焊接6 mm厚6061铝合金接 头的显微组织和力学性能，并与MIG焊接接头进行对 比，发现激光填丝焊接接头的抗拉强度高于MIG焊接 接头，但在拉伸实验中两种焊接接头均在焊缝处断裂， 且接头和母材的断裂方式均为韧性断裂。目前，国内
外对6061铝合金激光填丝焊接的研究较少，且不能满
表
类别母材焊丝
试验用母材为6061 -T651铝合金板材，尺寸为 100 mm X30 mm x2 mm;焊丝采用ER4047。母材及焊丝的具体化学成分见表1。
1
Fe
0.70.8
试验母材及焊丝的化学成分（质量分数，％
)
Cu
0. 150.03
Mg
1.20. 1
Si
0.81.2
Zn
0.250.20
Ti
0. 15—
Mn
0. 150. 15
Cr
0.04—
A1
余量余量
焊接试验采用IPG公司生产的YLS - 6000掺镱 光纤激光器，其激光波长为1 064 nm，额定最大输出 功率为6 000 W。焊接过程的控制由KUKA KR30HA 焊接机器人来完成，其最大工作范围为2 033 mm，重 复精度为±0.05 mm。试验用保护气体为80%氩气 + 20%二氧化碳，气体流量为15 L/min。为了防止焊 接缺陷的产生，焊前用砂纸打磨焊件表面并用丙酮擦 拭以去除氧化膜和杂质。激光焊接示意图如图1所
〇
微组织分析。
激光功率为2.5 kW，焊接速度为4 m/min的焊件 接头显微组织如图2所示。焊缝成型良好，缺陷较少， 属于合格焊缝。从图2a中可以观察到三个界限分明
图1激光焊接示意图
焊后通过线切割的方法截取焊接接头制成金相试
样，经过机械打磨和拋光后，采用Keller试剂进行腐 蚀，对焊接接头微观组织进行观察并分析。显微硬度 测试采用显微维氏硬度计，由焊缝中心开始，沿着垂直 于焊缝中心线的一条直线，向焊缝一侧，每隔0.5 mm 打一个测试点并记录。
2
焊接接头显微组织分析
()母材微观组织
b
（)熔合线附近微观组织
C
由于不同工艺参数下焊接的试件的组织形貌不会 发生改变，所以试验选出一组成型较好的试样进行显
52
2018年第6期
()焊缝中心组织
d
（)气孔
e
图2激光填丝焊接接头显微组织
生产应用妨猱
，即母材、热影响区和焊缝。母材显微组织如图
2b 示， 色的部分为\"A1基体，深色的部分为
的
其主要的增 基
由图3镁
d可以
，
析
1.05%的
以及
的含量有
及
\"18.38%的 、0.72%的
Mg2Si，可以观察到增
匀分布于
1.58%的铜元素。该
明显的增加，另还存在微量的
解度极低，易 的
量减少。
结合形成
。焊缝熔合
近显微组织如图2c所示，由
小，因此焊缝晶粒细小，热
母材熔合区晶粒的
至焊缝中心。
。钙在合金
，使
液中
光焊接能量集中、热 影响 图2
窄。焊缝晶粒的
C+i，不 CuAl2还
微量的钙还有助于去
外延生长，并以
晶的方式继 等轴晶组织。
的氢。铜是合金中重要的合金 的
效果。时效析出的
，具有一定
明显的时
d
示为焊缝
的析
对焊缝
行扫描电镜（
SEM)显微形
基和位错
效 用。
效果，对提高焊接接头的力学性能有重要作图3
貌观察，并采用能谱仪（
EDS *对析
，
成分进行分析，
结果如图3所示。经扫描电子显微镜观察， 主要成分为\"
的第
滑移和裂纹 和硬度。
e显示了点3处元素分布及含量。可以看
。
，镁和鞋形成
A1，且焊缝
。
析
匀分布着大量的 析
以
出，条状析出相中含有1.26%的镁元素、3. 8%的鞋
以及1.25%的
Mg2Si
，有利提高铝合金焊接接头的强度
易引起
集中，形成微裂纹，
，以起
的影响。
焊缝的作用， 、结合生成
#AlFeSi i
裂基体，从而对焊缝造成不利
会严重影响焊接接头的韧性。
()焊缝中心显微组织
a
()局部放大图
595
b
2.1
A1
类别质量分数原子分数
(%) (%)
A1
类别
476
357
«
锂起靼
MgKA1KSiK
0.6599.350
0.7299.280
« 锂238
起靼
OKFKMgKA1KSiKCaKCuK
1
2
3
4能量
质量分数原子分数 (%) (%)1.282.152.851.0574.1418.380.721.58
4.031.1673.9117.600.480.67
553442&
^ 331«
221■110
A1
-类别
质量分数原子分数
(%) (%)(*&)//(*&)//MgKA1KSiKFeK
1.2693.693.801.25
1.4194.303.680.61
0.5 1.5 2.5 能量
3.5 4.5 5.5 6.5
05678
01234能量
5678
E/keV
(c)点1处EDS结果
图3
()点2处
dEDS结果
E/keV
(e)点3处EDS结果
焊缝中心显微组织SEM图像及析出相EDS分析结果
43曰娜庇由、n丨
焊接接头显微硬度测P及分析
丨可以看出，焊缝区的平均硬度值远高于热影响区和母 材，热影响区的硬度k低，母材区域的硬度稍有上升， 最后趋于平稳。由接头显微组织分析可以看出，焊
2018年第6
激光填丝焊接头区域硬度试验结果如图4所示。
期
53
轉猱生产应用 淨/Vir/uan :.yAerne.
缝区的晶粒尺寸较小，且焊缝中含有大量第二相强化 粒子时，这些沉淀相会阻碍位错的滑移，从而提高位 错滑移的临界分切应力，使焊缝的硬度升高。而且， 由于焊丝带入了大量的硅元素，其结晶析出的硅易形 成硬质点，从而使焊缝的硬度提高。另外，一些杂质 元素对硬度也有一定的影响作用，由图3d可以看出 焊缝中含有较多的氧、钙等杂质元素，这些元素能与 招形成质地较硬的化合物，对硬度有一定的提高作 用，但会降低焊缝的韧性。热影响区晶粒由于受热粗 化，晶粒长大严重，晶界减少，晶界对位错阻碍的作用 也减小，位错在较小的外加切应力下就能发生滑动， 塑性变形能力增加，导致力学性能极为不均匀，硬度 也较低，成为整个接头最薄弱的环节。母材区域靠近 热影响区的部分其硬度也略有降低，说明其也受到了 焊接热循环的影响。
t—I10
0
Io
(
ah
9o)
m
®
8
o
7
o
60
1
距焊缝中心距离/mn
图4
接头区的硬度分布
4结论
(1)
通过金相观察，焊接接头由三部分组成，即母
材、热影响区和焊缝。由于激光焊接能量集中、热输入 小的特点，焊缝晶粒细小，热影响区窄。
(2) 由SEM观察结果可知，基体主要成分为a且焊缝内存在大量的条状和颗粒状的析出相。其中， 颗粒状析出相可以阻碍位错滑移和裂纹扩展，有利于 提高铝合金焊接接头的强度和硬度。但条状析出相易 引起应力集中，形成微裂纹，会严重影响焊接接头的韧 性。
(3)
焊缝区的平均硬度值远高于热影响区和材，热影响区的硬度最低，母材区域的硬度稍有上升， 并最后趋于平稳。其中，焊缝区的硬度增高与焊缝中 析出的大量第二相增强粒子、结晶析出的硅硬质点以
54
2018年第6期
及杂质元素与铝形成的质地较硬的化合物有关。热 影响区及部分母材区域的硬度降低与焊接热循环有 关。
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作者简介：夏佩云，1987年出生，硕士。主要从事激光焊、搅
拌摩擦焊工艺研究工作。
-Al母
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