1 引言

铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、塑性成形性能良好等特点,已成为近年来在汽车工业中最受青睐的金属材料,在汽车轻量化方面的潜力巨大。然而,作为汽车车身工艺的重要一环,铝合金焊接技术仍存在许多难点,这在一定程度上阻碍了铝合金在汽车工业中的应用^[1-3]。激光焊接作为一种新的焊接技术,具有线能量高、焊接速度快、变形小、自动化程度高等优点,但铝合金高的反射率和热导率限制了激光焊接的应用^[4-7]。因此,积极开展铝合金激光焊接的研究,对推进汽车轻量化和节能减排具有重要意义。

众所周知,织构对材料的性能具有巨大影响^[8-9]。Barnwal等^[10]认为6061铝合金中的立方织构和黄铜织构是决定其成形性能的重要因素;Bhargava等^[11]通过对不同钢种的研究发现,成形性能下降的主要原因是γ纤维织构的减少;Jiang等^[12]发现,镁合金的腐蚀速率随着织构强度的增加而下降;Ivanov等^[13]通过研究发现,钛合金中(0001)和(0002)方向的织构相较于(01 1-2-)和( 2-110)方向的织构具有更高的耐腐蚀性能。

目前,多数对于焊接接头晶粒结构和织构的研究主要集中于搅拌摩擦焊,如Liu等^[14]详细研究了搅拌摩擦焊过程中不锈钢微观结构和织构的演变等。另外也有一些关于高能束焊接接头的报道,如:Wu等^[15]利用电子束对高纯钛进行了焊接,并发现焊缝中存在较强的织构;Chu等^[16]对6061铝合金进行了激光填丝焊,焊缝中也存在强烈的立方织构;Cui等^[17]研究了激光焊接对5A90铝合金织构的影响,结果发现焊缝区域的主要织构为C(copper)织构(<111>{112})。

不同的材料焊后可能会出现不同的织构。本文针对汽车工业中较常见的6016与5182铝合金光纤激光焊接接头展开研究,通过电子背散射衍射(EBSD)的方法,研究了6016与5182铝合金激光填丝条件下焊接接头的织构和微观组织,期望能对6016与5182铝合金的激光焊接工艺优化以及焊接接头相关性能的提高提供参考。

2 实验材料与方法

本课题组采用的铝合金牌号为6016和5182,分别为Al-Mg-Si与Al-Mg合金,被广泛用于汽车车身覆盖件^[18]。两种铝合金的厚度均为1 mm,采用的焊丝牌号为5356(直径为1.2 mm),它们的主要化学成分见表1。6016铝合金的热处理状态为T4,其显微组织为固溶态组织;5182铝合金的热处理状态为O。焊接实验采用的是10 kW光纤激光器,波长为1060 nm,激光聚焦后的光斑直径为0.72 mm。焊前,对焊材进行表面处理,目的是去除表面的氧化膜,之后采用丙酮清洗并烘干。焊接工艺参数如下:激光功率为3.0 kW,焊接速率为4.5 m/min,送丝速率为5.4 m/min,焦距为+5 mm,激光与试样表面法线之间的夹角为7°。在焊接过程中采用纯度为99%的氩气对熔池进行保护,气体流量为20 L/min,送气角度与工件表面的夹角为45°。

在焊接接头处,采用标准流程(包括切割、镶嵌、研磨、抛光)制作金相试样,取样位置见图1,其中RD为轧制方向,TD为轧件的横向,ND为轧制的法向。采用Keller试剂(1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO₃+95%蒸馏水,体积分数)对金相试样表面进行腐蚀处理。EBSD试样经机械抛光后再进行电解抛光,以去除表面的应力层。电解抛光所用电解液是体积分数为10%高氯酸酒精溶液,电压为20~40 V,抛光时间为30~60 s。采用日立S-3400钨灯丝扫描电镜对抛光后的试样进行EBSD分析。

图 1. 取样位置示意图

Fig. 1. Schematic of sampling position

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3 实验结果与分析

3.1 焊接接头的成形质量及显微组织

图2(a)、(b)分别为6016与5182铝合金激光填丝焊接接头的金相照片,可以看到:焊接接头均完全焊透,且接头横截面为典型的酒杯形状,焊缝在截面上显示成形良好,没有明显的裂纹、气孔等缺陷。由于激光焊接的高能量密度和高冷速,焊接接头的热影响区很窄。此外,焊缝成形饱满,有利于保证焊接接头的力学性能。

图3、4分别为6016与5182铝合金焊接接头的显微组织,可以看出:由于焊缝区域经历了焊接重熔的过程,焊缝区域与母材的显微组织明显不同。图3(a)和图4(a)分别为6016与5182母材的显微组织,为典型的等轴晶组织。熔合线附近区域的组织形貌特征表现为典型的柱状晶,如图3(b)和图4(b)所示。6016与5182焊缝中心的显微组织如图3(c)、图4(c)所示,从图中可以看出,与母材相比,焊缝中心的等轴晶组织更大,且存在二次枝晶结构。此外,两种合金的母材或焊缝的晶粒内部、晶界处均存在大量的黑色析出相。通过能谱仪(EDS)分析可知,6016铝合金焊缝中黑色析出相的化学成分主要为Al、Fe、Cu、Mg、Si,如图5(a)所示。有文献^[19-20]指出,该黑色析出相为Mg₂Si、α-Al₁₂Fe₃Si、Al₅FeSi和Al₃Cu₂Mg₉Si₇等。图5(b)为5182铝合金焊缝中析出相的EDS能谱,该析出相的主要成分是Al、Mg,结合其分布特点推测其为Mg₂Al₃和Mg₅A l821。

图 2. 铝合金焊接接头的金相照片。(a) 6016;(b) 5182

Fig. 2. Metallographs of aluminum alloy welded joints. (a) 6016; (b) 5182

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图 3. 6016铝合金焊接接头的显微组织。(a)母材;(b)熔合线;(c)焊缝

Fig. 3. Microstructures of 6016 aluminum alloy welded joint. (a) Base metal; (b) fusion line; (c) weld seam

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图 4. 5182铝合金焊接接头的显微组织。(a)母材;(b)熔合线;(c)焊缝

Fig. 4. Microstructures of 5182 aluminum alloy welded joint. (a) Base metal; (b) fusion line; (c) weld seam

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图 5. 焊缝中析出相的EDS结果。(a) 6016;(b) 5182

Fig. 5. EDS results of precipitated phases in weld seams. (a) 6016; (b) 5182

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3.2 焊接接头的凝固组织

图6所示分别为6016与5182铝合金激光焊接接头的EBSD晶粒取向反极图。激光焊接的冷速较高,热影响区的宽度很窄,在熔合线附近存在少数较细小的晶粒,Chu等^[15]认为这是由焊接热量导致的再结晶引起的。两种铝合金焊接接头的母材组织均为等轴晶,其中6016铝合金母材中晶粒的平均直径为31 μm,5182铝合金母材中晶粒的平均直径为22 μm。

随着激光光斑的移动,熔池逐步凝固。由于熔合线附近的液态金属与母材接触,故而散热最快,温度梯度G最大。同时,因为界面移动速率R在熔化边界处相对最低,在焊缝中心线处最大(R=vcosα,其中:v为焊速;α为界面移动速率与焊接方向之间的夹角),故在熔合线附近处的G/R值较高,液态金属以柱状晶的方式生长^[22-23],如图6所示。

焊缝中心处金属的散热条件最差,温度梯度G最小,在较低的G/R值下焊缝金属的生长方式会转变为等轴晶生长。同时,较大的成分过冷区域使得固液界面附近可以通过非自发形核的颗粒数量增多,一些异质颗粒存在于焊接熔池中,金属熔体中的原子可以以异质形核的方式依附其上并生长出等轴晶,当颗粒数量和尺寸达到一定程度后,新形成的晶粒会阻碍之前柱状晶的继续生长^[22-23]。由图6可以看出:两种铝合金的平均晶粒尺寸存在明显的区别,6016铝合金焊缝中等轴晶的占比大,且晶粒尺寸较小,焊缝中心等轴晶的平均直径为102 μm;而5182铝合金焊缝基本为柱状晶,焊缝中心等轴晶的平均直径为282 μm。可见:6016铝合金激光焊接接头的晶粒细化程度高于5182铝合金。

图 6. 焊接接头EBSD反极图。(a) 6016;(b) 5182

Fig. 6. EBSD inverse pole figures of welded joints. (a) 6016; (b) 5182

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大量研究表明^[24-25],铝合金中的晶粒可以依靠TiAl₃的包晶反应得以细化。通常认为金属熔体中Ti的质量分数超过0.15%时,包晶反应才能进行^[26]。Mondolfo等^[27]认为,铝合金中存在的Fe、Mn、Zn、Si、Cu等元素可以降低Al-Ti包晶反应的温度以及Ti在铝液中的溶解度。因此,6016中含有的Cu、Si等元素会使包晶点成分向低Ti含量方向移动,导致有效的Ti含量增加,从而增大了6016铝合金的形核率,使6016铝合金焊缝组织中的晶粒较细小。另外,Yang等^[28]认为α-Al₁₂Fe₃Si可以作为α-Al异质形核的有效基底,促进异质形核的进行。Easton等^[29]采用过冷参数P与抑制因子Q来判断形核趋势,P值和Q值越大,越易形核。P和Q的表达式为

Q=∑i=1nmL,i(ki-1)C0,i,(1)P=∑i=1nmL,i(ki-1)C0,iki,(2)

式中:m_L,i为铝合金中各种溶质与Al的二元相图中液相线的斜率;k_i为各溶质的溶质分配系数;C_0,i各溶质的质量分数;i为溶质的编号。

本实验中两种母材与焊丝的P值和Q值如图7所示。可见,具有高P、Q值的6016合金更易于形核,而6016合金中Ti元素的存在能够促进晶体以异质形核的方式生长。Schempp等^[30]也报道了类似的结果。

图 7. 母材与焊丝的Q值和P值

Fig. 7. Q and P values of base metals and wire

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3.3 焊接接头的织构分析

图8所示为6016与5182铝合金焊接接头各区域的{100}方向极图。由于两种铝合金母材均经过热处理,故而母材晶粒取向为随机分布的状态,没有明显取向的织构,最大的织构强度M_max分别为3.63和2.15。

图 8. 焊接接头各区域{100}面的EBSD极图。(a) 6016;(b) 5182

Fig. 8. EBSD pole figures of planes {100} of different areas in welded joints. (a) 6016; (b) 5182

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由于激光焊接的能量密度高,在焊接过程中会产生较大的温度梯度,因此,在激光焊接中更易形成具有方向性的凝固组织,并排挤其他不利取向的晶粒的生长,最终导致特定方向的织构出现。实验结果表明:两种铝合金柱状晶区域均有强烈的<100>方向的织构存在,织构强度分别为12.38和21.97;在焊缝中心的等轴晶区域,6016铝合金织构也呈随机分布的状态,没有明显取向的织构存在,织构强度与母材相似,这进一步验证了6016铝合金中异质形核的机理;5182铝合金等轴晶的主要织构方向是<100>,织构强度为9.90,与面心立方结构材料的易生长方向一致,这是因为5182铝合金中异质形核的数量较少,晶粒倾向于沿易生长方向生长。

图9(a)所示为6016焊接接头柱状晶区域的取向分布函数(ODF)图,其中ϕ₁、Φ、ϕ₂均为用来表示取向的相互独立的转动角,即欧拉角。由图9可知:6016焊接接头中的主要织构类型为立方织构^[31]。上文提到了6016合金中Ti元素的存在会促进晶体以异质形核的方式生长。TiAl₃是铝合金中重要的形核质点,TiAl₃与α-Al基体具有如下的取向关系^[32]:(111)_Al‖(112)_TiAl3,[1 1-0]_Al‖[20 1-]_TiAl3;(111)_Al‖(112)_TiAl3,[1 1-0]_Al‖[ 1-10]_TiAl3;(200)_Al‖(200)_TiAl3,[011]_Al‖[021]_TiAl3;(100)_Al‖(100)_TiAl3,[001]_Al‖[100]_TiAl3。

图 9. 焊缝柱状晶区的ODF图。(a) 6016;(b) 5182

Fig. 9. ODF images of columnar structure in weld seams. (a) 6016; (b) 5182

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同时,本实验中最大的温度梯度方向为<100>方向,且与铝合金的易生长方向相同。因此,异质形核的铝基体倾向于在{100}面上沿着<100>方向生长,导致6016的织构取向为立方织构<100>{001}。而具有较小Q值和P值的5182铝合金受异质形核的影响较小,其生长方向受最大温度梯度方向的影响更大,因此其组织主要由纤维织构(<100>∥RD)和高斯织构(<100>{011})组成^[31],并有少量的立方织构(<100>{001}),如图8(b)所示。Yoshida等^[33]通过模拟比较了5种典型铝合金织构对成形性能的影响。结果表明,立方织构的成形极限明显高于其他类型的织构,即立方织构具有更好的成形性能。

4 结论

采用EBSD技术分别对1 mm厚的6016和5182铝合金激光填丝(焊丝5356)焊接接头的组织和织构进行分析,并对相同焊接工艺条件下两种焊接接头的织构进行了比较,分析了激光焊接接头组织与织构形成的机理。结果表明:在相同的焊接工艺条件下,6016和5182铝合金焊后的织构和晶粒细化程度明显不同。化学成分的不同会影响焊接接头在凝固过程中异质形核的能力,进而影响焊缝中织构的类型以及焊缝晶粒的细化程度。本研究对铝合金激光填丝焊接接头组织、性能的优化及焊丝的选用具有一定的参考价值。