130 mm铝合金扫描激光填丝焊接头微区组织和性能

焊     接     学     报

TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

Vol.40(11):087 − 092November     2019

130 mm铝合金扫描激光填丝焊接头微区组织和性能

汪汉萍，    杨晓益，    陈    辉，    黄瑞生，    李俐群

1

1

1

2

3

(1. 西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室，成都　610031；2. 哈尔滨焊接研究院有限公司，哈尔滨　150028；

3. 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨　150001)摘    要： 针对船用130 mm 5A06铝合金厚壁结构件的扫描激光填丝焊接头，对其焊缝(weld metal, WM)、热影响区(heat affected zone, HAZ)及母材(base metal, BM)的显微组织进行研究，并通过维氏硬度和微型剪切试验研究了接头各区力学性能差异. 结果表明，5A06铝合金单激光焊缝以等轴晶为主，填丝焊焊缝以柱状晶为主，HAZ和BM晶粒比WM粗，母材及热影响区为轧制的纤维状组织；由于焊接热循环作用，接头热影响区硬度略高于母材，抗剪强度二者差别不大，单激光焊缝硬度和抗剪强度略高于填丝层. 总体而言，焊缝区强度低塑性好，母材及热影响区强度高塑性低.

关键词： 扫描激光填丝焊；5A06铝合金；电子背散射衍射；微区组织

中图分类号：TG 402           文献标识码：A           doi：10.12073/j.hjxb.2019400293

0    序　　言

5A06铝合金为不可热处理的Al-Mg系防锈铝，主要添加元素为Mg，具有良好的强度，抗腐蚀性能及可焊接性，被广泛用于海事、汽车、飞机、地铁轻轨等领域. 激光填丝焊同常规铝合金焊接惰性气体保护焊(TIG或MIG)相比，具有热输入小、熔深大、热影响区小、焊接效率高等优点. 激光填丝焊是以激光束为热源，功率密度高，加热集中，可以精确控制热输入量，且激光填丝可改善焊接接头外观形貌，保证焊缝成形均匀美观，减少凹陷、咬边等缺陷. 故其在铝合金厚壁结构件焊接中具有极强的应用潜力.

密切联系. 故结合金相、电子背散射衍射(electronback-scatter diffraction, EBSD)技术等，揭示130 mm厚5A06铝合金扫描激光填丝焊接接头的微区组织结构与其性能之间的关系.

[4]

[1]

[2]

1    试验方法

试验材料为130 mm厚5A06轧制态铝合金，抗拉强度为349 MPa，所用焊材为ϕ1.2 mm的ER5356焊丝. 焊接方法为扫描激光填丝焊，送丝方式为前送丝. 焊接工艺参数如表1所示，焊缝由2道单激光打底焊和40道激光填丝焊组成，两道之间间隔10 ~ 15 min. 5A06铝合金和ER5356焊丝化学成分如表2所示.

[3]

由于焊接接头微区的组织与其性能之间有着

表 1 扫描激光填丝焊工艺参数

Table 1 Process parameters of scanning laser welding

焊层打底层填丝层

扫描幅A/mm

—1.2

扫描频率f/Hz

—150

激光功率P/W

6 0006 000

焊接速度vh/(m·min)

0.80.8

−1

送丝速度vs/(m·min)

7.57.5

−1

离焦量f/mm

00

截取金相试样，经打磨、抛光、腐蚀后采用蔡司金相显微镜观察接头各区组织形貌；采用维氏硬度

计(HVS-30型)测试接头的显微硬度，加载载荷为1 kg，保荷时间10 s，其位置如图1a所示、图1b为图1a中a区放大图，分别给出焊缝(WM)、热影响区(HAZ)和母材(BM)切取EBSD试样的位置.

参照《微型剪切实验法及其在焊接技术中的

收稿日期：2019 − 01 − 08

基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB1102100)

88

焊    接    学    报

表 2 5A06铝合金和ER5356焊丝化学成分(质量分数，%)

Table 2 Chemical compositions of 5A06 aluminum alloy and ER5356 welding wire

第 40 卷

材料5A06ER5356

Si≤ 0.4≤ 0.25

Fe≤ 0.4≤ 0.1

Cu≤ 0.1≤ 0.1

Mn0.5 ~ 0.80.05 ~ 0.2

Mg5.8 ~ 6.84.5 ~ 5.5

Cr—0.05 ~ 0.2

Zn≤ 0.2≤ 0.1

Ti0.02 ~ 0.1

—

Al余量余量

位置 5位置 4位置 3位置 2位置 1a(a) 硬度、微型剪切取样位置示意图 位置 2WM HAZBM位置 1(b) EBSD 取样示意图 (a 区放大图) 

图 1 硬度、微型剪切及EBSD取样示意图

Fig. 1 Schematic diagram of hardness, micro-shear and EBSD sampling

应用》设计微型剪切试验，在图1a中的位置1(底层)，3(中间)，5(上层)处切取微型剪切试样，包括WM，HAZ和BM，规格为60 mm × 1.5 mm × 1.5 mm，剪切间距为0.6 mm，通过式(1)计算抗剪强度τb，式(2)计算塑性指标剪切截面切入率a，即

PmaxA0()A0−AkAka=×100%=1−×100%A0A0τb=式中：Pmax为试样断裂时最大剪力(N)；A0，Ak为试样原始截面面积和断裂后试样最小截面面积(mm).

2[5]

2    试验结果与分析

2.1 焊接接头各区组织形貌与晶粒尺寸

对于130 mm的大厚板铝合金，轧制板材过程不可避免会出现沿厚度方向组织的不均匀性. 母材及焊缝组织如图2所示. 图2a，2b为试板边沿及中

(1)(2)200 μm(a) 试板边沿母材(b) 试板中部母材200 μm50 μm50 μm(d) 盖面层填丝焊缝 

(c) 中间填丝焊缝图 2 不同板厚处母材及焊缝组织

Fig. 2 Base material and welding microstructrue at different plate thicknesses

第 11 期汪汉萍，等：130 mm铝合金扫描激光填丝焊接头微区组织和性能

部母材组织形貌，试板边沿的母材的晶粒尺寸要比中部的细密；图2c，2d分别为中部填丝层及盖面填丝层焊缝组织，盖面填丝层中第二相组织比中部填丝层分布细密，说明在焊接过程中，由于后层焊接热循环作用，前层焊缝中第二相部分固溶于基体中.

由于激光焊具有能量密度高度集中、热输入小，且铝合金热导率和比热容较大，散热快，冷速快的特性，得到焊缝组织细小的接头 . 图3，图4分别为利用EBSD分析的5A06铝合金扫描激光填丝

焊接头WM，HAZ和BM的晶粒形貌和尺寸分布，扫描步长为1.5 μm. 如图3a，3b所示，单激光焊缝以均匀细小的等轴晶为主，平均晶粒尺寸为20.2 μm，扫描激光填丝焊焊缝以柱状晶为主，且晶粒大小均匀性较差，主要集中在7.0 ~ 22.5 μm的范围内，其平均晶粒尺寸与单激光焊缝相似，约为19.1 μm.图3c，3d所示，热影响区和母材以轧制的纤维状组织为主，存在120 μm左右的大尺寸晶粒，热影响区晶粒较母材长大并不明显.

[6]

200 μm(a) 单激光焊缝晶粒形貌(b) 填丝焊焊缝晶粒形貌200 μm200 μm200 μm(d) 母材晶粒形貌 

(c) 热影响区晶粒形貌图 3 激光填丝焊接头的晶粒形貌

Fig. 3 Grain shape of laser filler wire welded joint

单激光焊激光填丝焊热影响区母材2.2 焊接接头第二相粒子成分分析

图5分别为焊缝、热影响区和母材的EDS测试结果，在接头的焊缝部分，组织中的第二相主要为Mg5Al8相，其弥散分布于基体上，如图5c所示.对比图5a，5b，母材和热影响区同时存在3种第二相，晶粒内部浅灰白色Al6(FeMn)，较粗大的黑色Mg2Si和细小的Mg5Al8. Mg5Al8相不仅沿晶界分

020406080100120140晶粒尺寸 d/μm30相对频率 δ (%)20100布，同时也晶弥散分布于晶内，而热影响区晶界上的Mg5Al8相要比母材少很多，说明在焊接过程中，Mg5Al8相受焊接热循环的作用固溶进了基体，这种第二相的分布差异会造成热影响区与母材性能的差异.

 [7]

图 4 激光填丝焊接头的晶粒尺寸分布

Fig. 4 Grain size distribution of laser filler wire welded

joint

90

相对强度 I (cps)400Ai焊    接    学    报第 40 卷

2.3 5A06 铝合金扫描激光填丝焊接头硬度分析

维氏硬度测试结果显示如图6所示，焊接接头

谱图 13MnFeFe510能量 E/keV(a) 母材25 μm1520200FeMnSi00不同位置处，其硬度分布存在差异. 总体上看，在同一板厚处，激光填丝焊层的右半栏热影响区硬度略高于母材，其热影响区宽度约为7 mm. 而在单激光焊层处，热影响区并不明显，其宽度只有3 mm左右，图6a所示.

焊接接头不同厚度处，由图6f可知，母材和热影响区的纵向硬度呈现两边高、中间低的分布规律. 纵向热影响区的平均硬度值为96 HV，

25 μm1520相对强度 I (cps)400Ai200Mg00Si5谱图 1410能量 E/keV(b) 热影响区而母材的平均硬度值为90 HV. 对于焊缝区部分，单激光焊缝的硬度值要略高于填丝焊层的硬度，焊接接头上表面填丝焊焊缝硬度值明显低于其它位置，填丝焊层出现的硬度软点主要与焊缝中组织不均匀有关，焊缝区的平均硬度为87 HV.

相对强度 I (cps)Ai400200Mg00510能量 E/keV(c) 焊缝谱图 1225 μm1520结合前述的组织分析可知，热影响区的晶粒与母材相比没有明显长大，热影响区受焊接热循环作用，Mg5Al8相重新固溶于基体金属，基于固溶强化机制，热影响区硬度值略高于母材；同理，上表面焊缝硬度低于其它焊缝. 又因轧制过程出现沿厚度方向组织的不均匀，高于细晶强化原理，试板边沿母材的度值大于中部母材.

 图 5 5A06铝合金激光填丝焊接头EDS结果Fig. 5 EDS analysis of 5A06 aluminum alloy laser filler

wire welded joint

110显微硬度 H (HV)显微硬度 H (HV)100908070010203040距焊缝中心的距离 d/mm(a) 位置 150HAZWMBM1101009080WMHAZ70010203040距焊缝中心的距离 d/mm(b) 位置 250BM显微硬度 H (HV)110100908070WMHAZ0BM5010203040距焊缝中心的距离 d/mm(c) 位置 3WMHAZBM110显微硬度 H (HV)显微硬度 H (HV)1009080WMHAZ70010203040距焊缝中心的距离 d/mm(d) 位置 450BM110100908070WMHAZ0BM50显微硬度 H (HV)1201008060WM-平均值HAZ-平均值BM-平均值 

10203040距焊缝中心的距离 d/mm(e) 位置 520406080100120140距上表面的距离 d/mm(f) WM, HAZ 和 BM 的纵向硬度分布0图 6 激光填丝焊接头的硬度分布

Fig. 6 Hardness distribution of laser filler wire welded joint

第 11 期汪汉萍，等：130 mm铝合金扫描激光填丝焊接头微区组织和性能91

2.4 5A06铝合金扫描激光填丝焊接头微型剪切

性能分析

图7所示为130 mm厚5A06铝合金扫描激光填丝焊接头各区微型剪切性能曲线. 总体上看，接头焊缝区的抗剪强度最低，但塑性最好，而热影响区与母材则抗剪强度高，但塑性略差. 热影响区与母材的性能差异并不明显，分层对比130 mm厚5A06铝合金扫描激光填丝焊接头的微型剪切性能，接头上层与底层部分的抗剪强度均高于200 MPa；中间层部分抗剪强度略低，在200 MPa左右；切入率三者相差不大，约为45%.

260240抗剪强度90WMHAZ

BM

切入率

a80P220M)%/u70(τ200 α 度 强18060率剪入抗16050切14040

120−5

0

5101520253035404530

距焊缝中心的距离 d/mm

(a) 上层

260240抗剪强度90WM

HAZBM

切入率

a80P220M)/u70%(τ200 α度 强18060率剪入抗16050切14040

120−5

0

5101520253035404530

距焊缝中心的距离 d/mm

(b) 中间层

260240WMHAZBM

抗剪强度90切入率

aP22080M)20070%/u(τ α度 18060率剪强入抗16050切14040

120−5

0

5

101520253035404530

距焊缝中心的距离 d/mm

(c) 底层

图 7 激光填丝焊接头各区微型剪切性能曲线Fig. 7 Micro-shear performance curve of each area of

laser filler wire welded joint

此外，中间层及上层焊缝为激光填丝焊焊缝，两者抗剪强度约为140 MPa，压入率达70%左右，相差不大；而底层焊缝为单激光焊缝，抗剪强度最大值达到166 MPa，切入率约为85%. 图8所示的微型剪切宏观断口形貌亦即验证了所测得的微型剪切压入率 

.上层 WM上层 HAZ上层 BM中间层 WM中间层 HAZ中间层 BM底层 WM底层 HAZ底层 BM 1 mm图 8 微型剪切断口分析

Fig. 8 Fracture morphologies of micro-shear

综上分析，由于接头焊缝组织细小，且焊缝中Mg5Al8弥散分布在铝合金基体上，因此焊缝中的剪切切入率高，达到70%以上，并且由于单激光焊缝晶粒均匀细小，其剪切压入率最高，塑性最好.

3    结　　论

(1) 由于激光焊热源集中，冷却速度块，获得

焊缝组织较母材和热影响区细小，单激光和填丝焊焊缝分别为等轴晶和为柱状晶，母材及热影响区为纤维状组织. 试板边沿的母材的晶粒尺寸要比中部的细密.

(2) 由于热循环影响，Mg5Al8相重新固溶进了热影响区基体和中间层填丝焊缝，起到了固溶强化的效果，因此热影响区硬度略高于母材，中间层填丝焊缝高于盖面层填丝焊缝.

(3) 激光填丝焊焊缝，抗剪强度约为140 MPa，切入率达70%左右，相差不大；单激光焊缝，抗剪

92焊    接    学    报第 40 卷

强度最大值达到166 MPa，切入率约为85%. 总体而言，焊缝区强度低塑性好，母材及热影响区强度高塑性低.参考文献：

[1]许　飞, 陈　俐, 李晓延, 等. 5A06铝合金激光填丝焊接头组织

性能分析[J]. 应用激光, 2009, 29(2): 83 − 86.

Xu Fei, Chen Li, Li Xiaoyan, et al. Effects of filler wire on micro-structure and mechanical properties for fiber laser welding 6A02aluminum alloy[J]. Applied Laser, 2009, 29(2): 83 − 86.

[2]Zhang Z, Dong S, Wang Y, et al. Microstructure characteristics of

thick aluminum alloy plate joints welded by fiber laser[J]. Materi-als & Design, 2015, 84: 173 − 177.

[3]姜亦帅, 王　妍, 杨智华, 等. 6061铝合金激光填丝焊接接头的

组织与力学性能[J]. 机械工程材料, 2018(3): 52 − 56.

Jiang Yishuai, Wang Yan, Yang Zhihua, et al. Microstructure andmechanical properties of 6061 aluminum alloy joint by laser weld-ing with filler wire[J]. Journal of Mechanical Engineering Material,2018(3): 52 − 56.

[4]杨晓益, 陈　辉, 王秋影, 等. A7N01P-T4铝合金激光-MIG复合

焊接头微区性能[J]. 焊接学报, 2016, 37(8): 114 − 118.

Yang Xiaoyi, Chen Hui, Wang Qiuying, et al. Micro-zone perform-ance of laser-MIG hybrid welded A7N01P-T4 Al alloy joints[J].Transactions of the China Welding Institution, 2016, 37(8): 114 −118.

[5]雷斌隆, 王元良. 微型剪切试验法及基在焊接技术中的应用[J].

西南交通大学学报, 1990, 25(1): 14 − 20.

Lei Binlong, Wang Yuanliang. Micro-shear test and its use in weld-ing technique[J]. Journal of Southwest JiaoTong University, 1990,25(1): 14 − 20.

[6]Sánchez-Amaya J M, Delgado T, De Damborenea J J, et al. Laser

welding of AA 5083 samples by high power diode laser[J]. Sci-ence and Technology of Welding and Joining, 2009, 14(1): 78 −86.

[7]晁耀杰, 李宏佳, 李钦杰. A7N01铝合金焊接接头组织对疲劳断

裂的影响[J]. 焊接技术, 2017(8): 5 − 9.

Chao Yaojie, Li Hongjia, Li Qinjie. Effect of microstructure ofA7N01 aluminum alloy welded joint on fatigue fracture[J]. Weld-ing Technology, 2017(8): 5 − 9.

第一作者简介：汪汉萍，女，1996年出生，硕士研究生. 主要从事激光焊接工艺研究. Email：whpcmf@163.com

通信作者简介：陈辉，男，教授，博士研究生导师. Email：xnrpt@163.com

2019, Vol. 40, No. 11TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

V

result of contour method. The surface stresse obtained by theeigenstrain method agrees well with that measured by the XRDmethod, therefore, the stress error on the surfaces can becorrected to some extent by the eigenstrain method; thelongitudinal stress on the cut plane can be constructed with theeigenstrain basis function with the order of 16 in the x directionand 10 in the y direction along the cutting surface.

Key words: eigenstrain method；contour method；welding residual stress

；error correction

Micro-area organization and performance of 130 mm Alalloy scanning laser filler wire welded joint WANGHanping1

， YANG Xiaoyi1

， CHEN Hui1

， HUANGRuisheng2

， LI Liqun3

(1. Key Laboratory of MaterialsAdvanced Technology, Ministry of Education, SouthwestJiaotong University, Chengdu 610031, China；2. HarbinWelding Research Institute Co., Ltd., Harbin 150028, China；3. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China). pp 87-92

Abstract: The microstructure of the weld metal (WM),heat affected zone (HAZ) and base metal (BM) was studied andtested for the 130 mm thick scanning laser filler wire weldedjoint of marine 5A06 aluminum alloy rear wall structuremembers. Vickers hardness and micro-shear test were used tostudy the difference in mechanical properties of the joints. Theresults reveal that the single laser welding seam of 5A06aluminum alloy is dominated by equiaxed crystals, the fillerwelds are mainly columnar crystals, the HAZ and BM grainsare thicker than WM with rolled fibrous structures. Due to thethermal cycle of welding, the hardness of HAZ is slightlyhigher than BM, and the shear strength is not much different.The hardness and shear strength of the single laser weld areslightly higher than the filler layer, and the overall weld zonestrength is low. On the whole, the BM and HAZ have highershearing strength, while the plasticity is lower.

Key words: scanning laser filler wire welding；5A06Al alloy；electron backs-scattered diffraction；micro-area or-ganization

Microstructure and mechanical characterization of afriction-stir-welded C18150 butt joint HE Diqiu1,2

， XUEFei2

， SUN Youqing1

(1. College of Light Alloy Research,Central South University, Changsha 410083, China；2. StateKey Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University, Changsha 410083, China). pp 93-99

Abstract: In this study, the Cu-Cr-Zr alloy was weldedby means of friction stir welding. Particularly, themicrostructure of joints was observed by Metalloscope, SEMand Electron backscatter diffraction (EBSD). The mechanical

properties were investigated by tension test and micro-hardnesstest. The result shows that the final grain structure in thenugget zone is composed of grains in state of dynamicrecrystallization and partial dynamic recovery. The dynamicrecrystallization process is a continuous dynamic recrystalli-zation process. Coarse particles which are 5 ~ 10 μm in lengthare found innugget zone of Cu-Cr-Zr. The EDS analysisfurther reveals that these coarse particles are mainly composedof Cr element. All these precipitates are dissolved due to thehigh temperature in the nugget zone of Cu-Cr-Zr. The micro-hardness and tensile strength of nugget zone decreased due tothe dissolution of precipitates.

Key words: Cu-Cr-Zr alloy；coarse particles；Cr pre-cipitates

；tensile strength；micro-hardness

Effect of gas flow rate on the characteristics of RF plasmaspheroidized GH4169 alloy powder YIN Yan1

， ZHAOChao1

， PAN Cunliang1

， LU Chao2

， ZHANG Ruihua2,3 (1.State Key Laboratory of Advanced Processing and Recyclingof Nonferrous Metals, Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050, China；2. China Iron & Steel ResearchInstitute Group, Beijing 100081, China；3. Hardware KnifeCut Industrial Technology Research Institute Yangjiang,Yangjiang 529533, China). pp 100-105

Abstract: The secondary modification of irregularGH4169 alloy powder discarded from multiple laser 3Dprinting by RF plasma technology. The influence mechanismof carrier gas and hydrogen flow on the effect of spheroidizedpowder was studied. Scanning electron microscopy, Hall flowmeter, tap density tester, and laser particle size analyzer wereused to analyze the morphology, fluidity, looseness ratio andparticle size distribution of the powder before and afterspheroidization. The results show that the larger the carrier gasflow rate, the shorter the residence time of the powder in theplasma flame, the chaotic motion, and the lower thespheroidization rate.The larger the hydrogen flow rate, thegreater the heat exchange between plasma and powder per unittime, and the higher the spheroidization production efficiency.The fluidity and looseness ratio of the spheroidized GH4169alloy powder is significantly improved, the average particlesize of the powder particles increases, and the particle sizedistribution becomes narrow.

Key words: radio frequency plasma；GH4169 alloypower

；gas flow

Microstructure and mechanical properties of refill frictionstir spot welded dissimilar Mg/Al alloys XU Bo1

， DANChuchen1

， HE Zhaokun1

， JI Shude2

， LV Zan2

(1. CRRC