1060铝合金激光焊晶粒生长情况及其对接头力学性能的影响

高启涵 金成

摘要：采用宏观数值模拟与微观EBSD试验相结合的方法研究了激光焊焊接1060铝合金焊缝晶粒的生长情况及其对接头力学性能的影响。结果表明：晶粒尺寸随着热输入的降低而减小，焊缝中心逐渐产生致密的等轴晶，增强晶界强化作用，从而提升焊缝区塑性;在热输入降低过程中，熔池形状从椭圆状过渡为泪滴状，柱状晶生长形态受其影响由弯曲转变为竖直，柱状晶的生长方向与热流分布一致，垂直于熔化边界尾部，并且随着热输入降低与焊缝中心线夹角增大。柱状晶各向异性的特点使其与拉伸力趋近平行时抗拉强度更高;在较小热输入下焊缝晶粒会产生较为明显的立方织构，有助于提升焊缝区塑性;热输入由120 J/mm降至75 J/mm，接头拉伸强度逐步提升，而当热输入降至58 J/mm时焊接速度过快，会产生明显的气孔缺陷，使接头抗拉强度与75 J/mm时相比有所下降。

关键词：1060铝合金;焊接热输入;晶粒生长;力学性能;数值模拟

中图分类号：TG456.7 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）07-0114-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.18

0 前言

铝合金因其密度小、热膨胀系数大、塑韧性强的特点，广泛应用于高速列车及航空航天等领域。激光具有焊接速度快、变形小、功率密度高等优点，常被用于焊接铝合金材料[1]。

焊接接头在不同工艺参数下晶粒生长情况存在差异，直接影响接头的力学性能和使用寿命。焊缝一般是接头性能最薄弱区域，因此研究不同工艺参数下焊缝晶粒生长趋势及其对接头力学性能的影响具有一定的实际意义。传统的试验研究往往耗费更多的时间和成本，通过计算机数值模拟技术与试验验证相结合的手段既节省资源，又可以获得直观的可视化分析结果。已有许多学者通过细观数值模拟或EBSD研究了晶粒生长，但如果从宏观尺度入手分析热场改变对晶粒生长的影响并与试验验证相结合能够更好地指导实际焊接[2-4]。

文中针对1060铝合金进行了激光焊焊接试验，利用有限元法及组合热源模型进行宏观热场模拟，研究焊接接头在不同热输入下的热流分布及熔池形状变化，分析宏观热场改变对于焊缝晶粒生长的尺寸、拓扑结构、织构特性的影响。结合EBSD测试对宏观模拟分析结果进行验证，并根据拉伸试验分析焊接接头力学性能与晶粒生长趋势之间的关系，为激光焊焊接铝合金过程中焊接热输入参数的选择提供理论依据。

1 试验与模拟方法

1.1 激光焊试验与EBSD测试

激光焊试验材料选用3 mm厚1060铝合金板材，具体成分如表1所示。選用发射波长为1.06 μm的光纤激光器，试验前设定激光束的偏转角为15°，激光离焦量为-1 cm。使用纯度99.99%的氩气作为保护气体，气体流量25 L/min。具体焊接工艺参数如表2所示。

试验后以焊缝为中心选取EBSD测试试样，尺寸10 mm×10 mm×3 mm。经处理后对试样进行电解抛光，配置体积比1∶3的HCLO4与无水乙醇混合液为电解抛光溶液，电解抛光中温度控制在约-25 ℃，电压设定为13 V。电解抛光时间为每个试样55～65 s，抛光后采用HF作为侵蚀液进行化学腐蚀[5]。EBSD试验观测范围以焊缝为中心，步长约15～25 μm，保证标尺一致，视场清晰。

1.2 宏观模拟

通过宏观有限元模拟输出焊接温度场及热流矢量，模拟中所需1060铝合金相关属性如表3所示。

由于单个热源模型无法准确地模拟出激光深熔焊的熔池形态，为适应激光焊接速度较快及熔深方向“锁孔”状的形态特点，采取双椭球-倒椎体组合热源模型进行模拟。两种模型如图1所示。其中双椭球体热源的表达公式为[6-9]：

q1（x，y，z）=exp

--

-

，x≥0

q2（x，y，z）=exp

--

-

，x≤0

式中 a1和a2分别为两个1/4椭球的轴长;b为两个半椭球的宽度;c为热源作用深度;f1与f2分别为两个1/4椭球的能量分配系数，f1设定为2/3，f2设定为4/3。通过校核双椭球热源两个半椭球参数可以控制模拟过程中熔池上表面的长宽比，对应不同焊接速度的熔池变化趋势。

倒椎体热源模型可以再现激光焊熔深截面小孔深熔焊的特点。倒椎体热源模型的表达公式为[6-9]

q（r，z）=×

r0（z）=ri+（re-ri）

式中 r为距离柱体轴线的距离;Ze和Zi为倒椎体上下表面厚度方向坐标;re和ri为倒椎体上下表面有效加热半径;r0（z）为随厚度方向衰减的加热半径。

1.3 拉伸性能测试

依据GB/T 2651-2008《金属材料焊缝破坏性试验—横向拉伸试验》的规定对接头拉伸试样进行准静态拉伸试验，夹头移动速度设定为1 mm/min。每组热输入参数选取3个试样测定抗拉强度的变化规律。拉伸试件尺寸示意如图2所示。

2 结果与讨论

2.1 宏观模拟结果

2.1.1 熔池形态结果

不同热输入下温度场变化结果如图3所示。热输入降低过程中温度场等温线范围逐渐向焊缝中心收缩。等温线的变化趋势说明母材所接收的热能逐渐降低，这主要是焊接速度变快导致焊接热循环中高温停留时间缩短所造成的。

由图3可知，熔宽随热输入的降低而变窄，熔池逐渐被拉长。热输入从120 J/mm降至58 J/mm的过程中，熔池形状由椭圆状过渡为泪滴状。熔池形状变化会影响凝固边界的形态，晶粒在凝固过程中倾向于垂直凝固边界前沿（即熔化边界尾部）生长，因为该方向温度梯度最大，散热速度最快[10]。凝固边界形态的改变将影响焊缝处柱状晶的生长形态及方向。泪滴状熔池尾部边界近似于直线，曲率半径较小，柱状晶生长过程也会呈现竖直形态;而椭圆状熔池尾部边界曲率半径相对更大，将导致柱状晶在生产过程中产生弯曲的形态变化。

2.1.2 热流分布结果

不同热输入下的热流分布结果如图4所示，灰色区域为熔池，深色区域为糊状区，箭头代表各个积分点热流矢量的方向和大小。

因为文中主要研究焊缝区域柱状晶及等轴晶生长趋势，所以重点分析熔化边界尾部（即凝固边界前沿）的热流分布情况。由图4可知，凝固边界前沿热流矢量与焊缝中心线的夹角随着热输入的降低不断增大，当热输入降至58 J/mm时近似于90°。尽管夹角发生改变，但热流矢量始终倾向于垂直熔化边界尾部糊状区固相线。热流矢量的方向与温度梯度方向相反，而晶粒生长过程中基本沿着温度梯度方向生长，因此其生长方向与热流分布方向基本一致。热输入通过控制熔池形状影响热流分布规律，从而导致柱状晶生长方向随其不断变化。

2.2 晶粒生长观测结果

EBSD测试结果如图5所示。可以看出，随着热输入的降低，焊缝晶粒尺寸逐渐减小，焊缝中心开始出现等轴晶带。一方面热输入降低造成温度场等温线收缩（见图3），焊接过程高温停留时间变短，因此晶粒生长过程中接收到的晶界迁移能降低，导致晶粒尺寸变小;另一方面等轴晶逐渐产生且数量越来越多，抑制柱状晶的生长使其尺寸缩小[10-12]。柱状晶的生长方向与热流矢量分布方向基本吻合，符合之前对于热流结果的分析。当热输入为120 J/mm时柱状晶形态弯曲，随着热输入降低逐渐变得笔直，该结果同样符合熔池形态变化对其生长形态的影响。

等轴晶的产生主要受到糊状区范围变化的影响。其形核与生长遵循异质形核机理，这些异质形核点主要存在于温度较低固液混合的糊状区。随着热输入降低，糊状区范围增加，有利于异质形核的产生。小热输入下焊接速度很快，成分过冷的作用更为明显，同样有助于生成更多等轴晶[10，12-13]。而等轴晶的存在有利于提升焊缝区域力学性能[14]。

2.3 晶粒织构变化结果

EBSD试验获得的极图结果如图6所示。图中A1轴和A2轴分别代表赤道投影面的y轴以及x轴，蓝色区域为随机设定的背景颜色，其他不同颜色区域象征不同的织构强烈程度。

可以看出，热输入低至75 J/mm时产生了较为明显的织构取向，且在58 J/mm的试样中构强度最大。这是由于激光焊能量密度高、温度梯度大，因此容易产生具有方向性的凝固过程[15]。

选取织构特性最强的两组试样进一步分析，其取向分布函数（ODF）图如图7所示。其中φ1、φ2及Ф表示取向的相互独立的转动角，即欧拉角。不同颜色代表织构强烈程度不同。可以看出，两组试件最主要的織构取向都是立方织构（{001}<100>）。两个热输入对应的最大织构强度数值分别为12.204和12.862，其中热输入为58 J/mm时织构强度更为强烈。

2.4 拉伸试验结果

拉伸试验结果数据如表4所示，热输入变化对应的抗拉强度变化趋势如图8所示。

在热输入由120 J/mm降至75 J/mm的过程中，试样的抗拉强度和延伸率与热输入呈反比关系。结合焊缝区晶粒生长情况对力学性能变化进行分析。首先，晶粒尺寸减小会增强晶界强化作用，有助于焊缝区域塑韧性的提升;其次，柱状晶生长方向与焊缝中心线夹角增大，而柱状晶具有各向异性，其长度方向性能优于宽度方向，因此柱状晶生长方向与拉伸力越趋近于平行，抗拉强度越高;等轴晶数量增多能有效提升焊缝区性能，同时对于铝合金面心立方金属立方织构的存在会对力学性能产生一定积极作用[5，16-17]。但是当热输入降至58 J/mm时，抗拉强度及延伸率较热输入为75 J/mm时有所降低，需进一步分析。

拉伸试验试样断裂位置均出现在焊缝区域。宏观断口形貌如图9所示。可以看出，当热输入降至58 J/mm时，由于速度太快，产生了较多的气孔，如图9d所示，而在其他3个对照组中无明显气孔。气孔作为一种焊接缺陷会严重影响焊接接头力学性能[18]。

拉伸断口微观形貌如图10所示，试样断裂区域存在大量韧窝，符合韧性断裂特征，随着热输入的降低韧窝数量越来越多，尺寸越来越小。微观断口结果说明，焊缝区晶粒的塑性是逐渐提升的，在58 J/mm时由于气孔缺陷的存在导致接头性能出现降低趋势，但因其晶界强化作用更强，织构特性及柱状晶各向异性效果更为显著，因此抗拉强度依然优于热输入为120 J/mm及87.5 J/mm的焊接接头。

3 结论

采用宏观有限元模拟与试验相结合的方法研究了1060铝合金激光焊过程中焊缝晶粒生长情况及其对力学性能的影响，得出以下结论：

（1）随着热输入的下降，等轴晶数量增多，晶粒尺寸缩小，晶界强化作用加强使得接头塑韧性提升。较小的热输入有利于织构产生，同样有助于优化接头力学性能。

（2）晶粒生长形态及方向受熔池形状及热流分布影响，随着热输入的减小，柱状晶从弯曲形态转变为竖直形态，与焊缝中心线趋近于垂直。柱状晶各向异性的特点使其生长方向与受力方向一致时具有更好的力学性能。

（3）当热输入为58 J/mm时，焊接速度过快会产生气孔缺陷，导致抗拉强度较75 J/mm时有所降低，但其抗拉强度仍然比120 J/mm、87.5 J/mm的接头要好。

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