振镜螺旋扫描焊接对3003铝合金焊缝微观组织的影响

谭小军

(深圳技师学院 广东 深圳 518116)

一、引言

全球大力倡导电动汽车推广和使用[1]，电动汽车动力电池铝盒一般采用3003铝合金，3003铝合金焊接存在着多种问题[2][3]。本实验以3003铝合金进行激光螺旋扫描焊接实验，研究了螺旋扫描激光焊接中螺旋轨迹参数对焊缝微观组织的影响。

二、实验材料、设备和方法

本实验所开发出来的螺旋轨迹如图1(a)所示。

图1 螺旋轨迹

试验所使用的激光器是IPG公司生产的YLS-2000光纤激光器，振镜为SCANLAB振镜。

试验材料采用3003板材，加工成60mmx30x2mm，用于焊接实验。

对制作的试样在HITACHI-S4800型冷场发射扫描电子显微镜观察焊缝显微组织,拍摄焊缝不同区域(焊缝中心区、熔合区,母材)的组织。

三、实验结果及分析

(一)螺旋扫描焊接对3003铝合金焊缝显微组织的影响

图2为低倍显微镜下焊缝中心区的金相组织，图2(a)(b)为直线扫描时(r=0)的焊缝中心区组织，图2(c)(d)为螺旋半径为0.5mm时的焊缝中心区组织。

(a)r=0

在图2(a)、(c)中可以看到，焊缝中心晶粒粗大，呈块状。r=0时焊缝中心块状晶粒数目要比r=0.5mm时焊缝中心组织多，晶粒也更粗大(图2 c d)。

对块状组织的高倍SEM扫描观察可以看出，r=0所得块状晶粒内部枝晶要比r=0.5mm时粗大。

(a)r=0 x1000

螺旋扫描焊接相比无螺旋扫描焊接，可以降低熔池的横向温度梯度，虽然r=0.5mm时，焊透功率相比r=0时提高了，但更多的热量被分散到熔池四周。降低了焊缝中心的散热难度，因此焊缝中心板块状的等轴晶数目减少，枝晶也变得更细小。

(a)r=0

r=0.5mm时，熔合区要比r=0时窄。r=0时，焊缝几乎无热影响区，焊缝直接由柱状枝晶过渡到母材组织，母材一侧组织未发生明显变化。R=0.5mm时存在一定的热影响区，母材一侧组织也出现了柱状晶。

r=0.5mm时，焊透所需的功率加大，并且螺旋降低了熔池温度梯度，更多的热量分散到熔池四周，熔池四周接受的激光热量增加，导致热影响区的产生。

对焊缝中心区的强化相进行能谱分析，分析结果如表1。

表1 强化相分析

发现焊缝中心区中强化相相比母材中的强化相，Mn、Fe含量严重降低。说明激光焊接引起了强化相烧损。

(二)螺旋扫描频率对3003铝合金焊缝显微组织的影响

图5为焊缝中心等轴晶区的金相组织，图5(a)为f=500Hz时的焊缝中心区组织，图5(b)为f=62.5Hz时的焊缝中心区组织。

(a)f=500Hz

f=62.5Hz时，焊缝中心块状晶粒要比f=500Hz时粗大，枝晶也更粗大。

图6为融合线位置处的组织照片。

(a)f=500Hz

f=500Hz时，焊缝热影响区明显，靠近焊缝的母材为柱状晶，生长方向与母材侧的一致。焊缝侧存在垂直于熔合线和焊接方向的块状晶粒。

f=62.5Hz时，焊缝几乎无热影响区，焊缝直接由柱状晶到母材，过渡区很小。

f=500Hz时焊透所需功率高，螺旋又降低了熔池的横向的温度梯度，焊缝边缘受热很高，导致热影响区的出现。f=62.5Hz时，焊透功率较低，热影响区不明显。

结论

1.在同时焊透及其它参数一样情况下，对r=0及r=0.5mm的焊缝组织进行对比。结果表明，螺旋扫描焊接焊缝中心区板块状晶粒数目减少了，枝晶也更细小，熔合区组织观察发现存在明显的热影响区。

2.在同时焊透及其它参数一样的条件下，低频率螺旋扫描焊接焊缝中心板块状晶粒更加粗大，焊缝基本无热影响区，熔合线处由柱状晶过渡到母材组织。高频率焊接时焊缝热影响区明显，由板块状晶粒过渡到热影响区的柱状晶。