基于響應曲面法的鋁合金激光封邊焊接

成奇，郭寧,3，付云龍，張迪，張帥，何金龍

(1.哈爾濱工業大學，先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱， 150001；2.哈爾濱工業大學(威海)，山東省特種焊接技術重點實驗室，威海， 264209；3.山東船舶技術研究院，威海， 264209；4.國家石油天然氣管網集團有限公司，北京， 100101)

0 序言

封邊技術常見于電子產品領域，主要包括環氧樹脂密封、機械固定以及焊接等.激光焊接的加熱范圍小，焊縫和熱影響區較窄，接頭性能優良；殘余應力和焊接變形小,可以實現高精度焊接.隨著激光焊接技術的發展及其獨特的優點而被廣泛應用于電子產品中的銅、鋁合金以及不銹鋼等材料[1-4].

Liu 等人[5]利用激光焊接粉末冶金制備的高硅鋁基復合材料，得到了高氣密性的封邊焊縫，氦泄露檢測結果與采用傳統的Kovar 合金和純鋁合金封裝的效果相近但該材料的力學性能遠優于上述兩種材料，該結果證明了采用激光封邊鋁基材料的可行性.周明智等人[6]對高硅鋁合金殼體和蓋板進行了脈沖激光封焊試驗，通過合理地設置激光焊接參數和調整激光脈沖波形，可有效避免焊接過程中的裂紋缺陷.王成等人[7]通過正交試驗方法研究了焊接參數對鋁合金殼體氣密性的影響，得到了影響激光封焊效果的規律，確定了最佳的工藝參數，焊后氣密性可達6.5 × 10?10Pa·m3/s.聶要要等人[8]進行了正交試驗分析，研究了激光功率、焊接速度和離焦量等工藝參數對焊縫形貌的影響規律，證明了激光封邊焊的可靠性.

對于鋁合金的封邊焊接，目前的研究主要基于電子產品的背景.而其在航空航天結構的制備中幾乎未見較為成熟的研究.通過采用響應曲面法對航空航天中常用的2A12 鋁合金的激光封邊焊接進行了研究，并從焊縫幾何特征以及組織和性能等方面分析了焊接的工藝參數對焊接質量的影響.

1 試驗方法

激光焊接試驗平臺的示意圖如圖1 所示，該試驗平臺主要由半導體激光器、焊接機器人及控制系統等組成.其中半導體激光器的最大輸出功率為5 kW，波長為915 nm，光芯直徑為800 μm.由于鋁合金屬于高反射率材料，為了防止損壞激光頭，在焊接時將激光頭傾斜15°.采用Ar 氣保護焊接區域來避免焊縫氧化.

圖1 激光焊接試驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser welding test platform

作為中高強度Al-Cu-Mg 系固溶時效強化的鋁合金[9].2A12 鋁合金在飛行器的蒙皮、隔框、翼肋、壁板等均得到廣泛應用[10].試驗所用鋁合金的尺寸為120 mm × 25 mm × 2 mm,成分如表1 所示.母材的金相照片如圖2 所示，它的組織由白色的α-Al 基體和黑色的Al2CuMg 第二相組成[11].

圖2 母材的微觀組織Fig.2 Microstructure of the base metal

表1 2A12 鋁合金的化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical compositions of the 2A12 aluminum alloy

采用激光自熔焊的方法對2A12 鋁合金進行封邊焊接，將激光功率、焊接速度、離焦量和保護氣體流量等4 種因素作為響應曲面法的研究因素.通過線性變換后以?1，0，1 分別代表其低、中及高水平.各因素的取值范圍分別為：激光功率2 750～3 250 W，焊接速度8～12 mm/s，離焦量?2～+2 mm，保護氣體流量10～20 L/min，如表2 所示.

表2 因素編碼及水平表Table 2 Factor coding and level table

焊接試驗完成后，使用電火花線切割機沿著垂直于焊縫的方向切取金相試樣并鑲嵌，然后依次用400 號～5 000 號的SiC 水磨砂紙進行磨拋，再用顆粒度為1.0 μm 的金剛石拋光劑配合拋光布進行拋光至試樣表面無劃痕.使用Keller 試劑對拋光后的試樣進行腐蝕，腐蝕后用水和酒精反復沖洗并吹干.腐蝕完成后，采用OLYMPUS 光學數碼顯微鏡對焊縫的橫截面進行分析，得到焊縫的幾何尺寸.采用蔡司場發射掃描電子顯微鏡對接頭進行微觀組織觀察，并結合配套的能譜儀對不同微區進行EDS 分析，得到不同區域的成分組成.采用手動轉塔顯微硬度計對封邊焊接接頭進行硬度表征，加載力為1.96 N，加載時間為10 s.采用盛水試驗對激光封邊焊接接頭進行氣密性測試.

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫幾何特征

試驗設計了4 因素3 水平的響應曲面分析試驗，共有29 個試驗點.響應曲面設計方案與試驗結果如表3 所示.

表3 響應曲面的設計與結果Table 3 Design and results of response surface

對上述2 個模型進行檢驗，其殘差分布及實際值與預測值的對比分別如圖3 和圖4 所示.從圖3中可以看出，殘差分布于45°線附近，說明模型的穩定性較高，在給定范圍內具有較高的可信性.從圖4中可以看出，各數據點基本分布于45°線附近，實際值與預測值較為接近，說明上述2 個模型的可靠性較高.對2 個模型進行方差分析，其診斷結果分別如表4 和表5 所示.當P值處于一定的范圍時則能表示該方差來源在響應曲面模型中的顯著性.P＜0.05 為顯著；P＜0.01 為高度顯著；P＜0.001為極顯著.基于此可較為直觀的判斷出各因素對熔深和熔寬的顯著性，最終明確工藝參數對封邊焊接接頭的影響情況.

圖3 模型的殘差分布Fig.3 Residual distribution of the model.(a) the residuals of Penetration;(b) the residuals of weld width

圖4 實際值與預測值的對比Fig.4 Comparison of actual and predicted values.(a) the comparison of penetration;(b) the comparison of weld width

據表4 和表5 所示，2 個模型整體具有極顯著性而失擬項為不顯著性，另外，復相關系數R與RAdj均大于0.9，說明模型的可信度較高，可以進行后續分析.在4 種影響因素中，激光功率對熔深的影響為高度顯著，焊接速度和離焦量為極顯著，保護氣體流量則體現為不顯著性；在對熔寬的影響中，激光功率為顯著性，焊接速度和離焦量呈現極顯著性，而氣流量呈現不顯著性.

表4 熔深的響應曲面診斷結果Table 4 Penetration value of response surface diagnostic results

表5 熔寬的響應曲面診斷結果Table 5 weld width value of response surface diagnostic results

使用Design-Expert 軟件對響應曲面模型進行分析后得到3D 響應曲面圖，在此基礎上研究各主要工藝參數對接頭的影響.當保護氣體流量為15 L/min時，在不同離焦量下激光功率和焊接速度對接頭的交互影響如圖5 和圖6 所示.從圖5 中可以看出，處于負離焦量時，激光功率與焊接速度對熔深的影響要比零焦和正離焦量時顯著，體現為3D 曲面圖坡度較大.從圖6 中可以看出，當負離焦量為?2 mm時，熔寬在一定的參數范圍內中可以維持在4 000 μm 左右，即約等于2 倍母材的寬度；當離焦量為+2 mm時，熔深對激光功率以及焊接速度的改變較為敏感，體現為3D 曲面的下降幅度較大，最低達到2 000 μm 左右，說明接頭的熔寬較小.另外，不管離焦量為?2 mm，0 mm 還是+2 mm，隨著激光功率增加以及焊接速度降低，熔深與熔寬均呈現增加趨勢，母材熔化量較多，接頭區域較大.

圖5 不同離焦量下激光功率和焊接速度對熔深的影響Fig.5 Influence of laser power and welding speed on penetration value under different defocusing amounts.(a) ?2 mm;(b) 0 mm;(c) +2 mm

圖6 不同離焦量下激光功率和焊接速度對熔寬的影響Fig.6 Influence of laser power and welding speed on weld width value under different defocusing amounts.(a) ?2 mm;(b) 0 mm;(c) +2 mm

基于上述分析，離焦量對于接頭的影響較為顯著.在不同的離焦量下，接頭的熔深與熔寬差異較為明顯.當離焦量為?2 mm時，熔深與熔寬整體處于較高的水平；當離焦量為0 mm時，熔深與熔寬整體呈現下降的趨勢；當離焦量為+2 mm時，熔深與熔寬處于低水平的狀態.熔深與熔寬決定了焊縫橫截面的面積大小，橫截面的面積越大，則焊縫的力學性能相對更高.因此，應該采用負離焦量進行鋁合金的封邊焊接.

2.2 接頭顯微組織分析

離焦量是對接頭的幾何尺寸影響最顯著的因素，故選取激光功率3 250 W，焊接速度為10 mm/s，保護氣體流量為15 L/min，離焦量分別為+2 mm和?2 mm 的接頭進行顯微組織分析.

圖7a 和7b 分別為正離焦量和負離焦量下熔合線附近的組織，由于激光熱源的作用，使得靠近熔合線附近的母材組織發生改變，形成熱影響區.當離焦量為負時，光束在接頭內部聚焦，對接頭的熱作用增加，使得受到焊接過程影響的母材區域增加，即熱影響區變寬.在激光焊接過程中，靠近熔合線附近的熔池區域受到周圍大體積母材金屬的冷卻作用而形成較大的溫度梯度，導致在熔合線附近形成了樹枝晶.當離焦量為負時，相同熱輸入下，激光對接頭的熱作用增加，熔池高溫停留時間較長，給予樹枝晶較多的生長時間，樹枝晶較為粗大.但由于溫度分布不均勻以及熱擴散導致的最優結晶取向與熔池某處瞬時溫度梯度的最大方向不同，使得部分樹枝晶呈現偏離熔合線垂直方向生長甚至停止生長的情況.隨著熔合區樹枝晶的生長，會使大量的溶質從晶體中排出.另外，隨著結晶過程不斷進行，溫度梯度逐漸降低而結晶速度逐漸增大，使得胞狀樹枝晶變得較為細小.除從晶體中排出的溶質外，熔池中未熔化的質點雜質也會促進非均勻形核，正在生長的樹枝晶遇到新的晶核后便停止生長，與前述條件共同促進等軸晶形成，最終由細小的胞狀樹枝晶逐漸過渡為焊縫中心區域的以等軸晶為主的組織，如圖7c 和7d 所示.與熔合線附近的組織類似，離焦量為?2 mm時，等軸晶的晶粒尺寸較大.離焦量為+2 mm 時熔池受激光熱作用較小，晶粒的生長時間變短，故而在焊縫中心處形成細小的等軸晶組織.

圖7 不同離焦量下的金相圖片Fig.7 Metallographic pictures under different defocusing amounts.(a) defocusing amount of +2 mm near the fusion line;(b) defocusing amount of?2 mm near the fusion line;(c) defocusing amount of +2 mm at the center of weld;(d) defocusing amount of ?2 mm at the center of weld

圖8a 和8b 分別為正離焦量和負離焦量下熔合線附近的組織，該區域的強化相沿晶界分布.圖8c和8d 分別為正離焦量和負離焦量下熔合線附近向焊縫中心過渡區域的顯微組織，該區域的強化相同樣沿晶界分布，晶粒生長方向性較為明顯，此處主要為胞狀樹枝晶.對晶界位置A 以及基體區域B 進行EDS 分析，結果如表6 所示，其中A 區域的點掃結果根據有關文獻的研究[12]，分布于晶界處的強化相可能為低熔點共晶α-Al 固溶體+CuAl2(θ)或α-Al 固溶體+CuMgAl2(S)或α+θ+S.基體區域B 位置的點掃結果，該區域為α-Al 固溶體.如圖8e 和8f 所示分別為正離焦量和負離焦量下焊縫中心處的顯微組織，強化相主要呈現顆粒狀分布于晶界處，少量分布于晶粒內部，此處主要為等軸晶.

圖8 不同離焦量下的微觀組織Fig.8 Microstructure under different defocusing amounts.(a) defocusing amount of +2 mm near the fusion line;(b) defocusing amount of ?2 mm near the fusion line;(c) defocusing amount of +2 mm at the transition region;(d) defocusing amount of ?2 mm at the transition region;(e) defocusing amount of +2 mm at the center of weld;(f) defocusing amount of ?2 mm at the center of weld

表6 點掃結果(質量分數，%)Table 6 The result of dot scanning

在焊接熔池的非平衡動態結晶過程中，溶質元素不斷地從基體固溶體相中析出，隨著距離熔合線距離的增加，溶質元素濃度也增加.伴隨著結晶過程的不斷進行，在最后結晶的區域即等軸晶形成的區域中形成強化相彌散分布于組織中；少量的溶質元素受到已經形核或長大的樹枝晶的阻擋無法到達焊縫中心區域而存留于樹枝晶的晶界處，最后冷卻凝固后形成了沿晶界分布的強化相.

2.3 元素燒損和強化相含量分析

在鋁合金激光封邊焊接過程中，由于Mg 元素的沸點低于Al 元素，并且Mg 元素的沸點與Al 元素的熔點相差不多，因此，將有一部分Mg 元素會成為金屬蒸氣逸出熔池，使得焊縫中的Mg 元素減少，造成元素燒損.

沿著焊縫的深度方向分別對正、負離焦量下接頭中的Mg 和Cu 元素含量測定，并計算Cu、Mg 元素含量的比值.對數據進行如下處理：每100 個數據點為一組取平均值，將其做為縱坐標；每一組最后一個點的位置做為橫坐標，得到如圖9 所示的隨掃描距離變化的Mg 元素含量及Cu/Mg 比值圖.從圖9a 中可以看出，與采用正離焦量進行焊接相比，在負離焦量下，鎂元素的燒損更加嚴重.這是由于負離焦量時，激光對熔池的過熱作用更為劇烈，導致Mg 元素燒損比正離焦量時更嚴重.另外，在正、負離焦量下，隨著掃描長度增加，鎂元素的燒損均減輕.

當Cu/Mg=2.61時，2A12 合金中強化相主要為S，此時強化效果最優；隨著Cu/Mg 的增加，當8≥ Cu/Mg ≥4時，S 相仍是主要的強化相，但是其含量減少，θ 相含量增加；當Cu/Mg≥8時，θ 相為主要強化相[13].從圖9b 中可以看出，與采用正離焦量進行焊接相比，在負離焦量下，Cu/Mg 比值較大.在正、負離焦量下，焊縫處Cu/Mg 比值均遠超過母材.盡管此時的Cu/Mg 值仍處于以S 相為主要強化相的范圍內，但S 相在焊縫中的含量降低，強化效果有所減弱.

圖9 不同離焦量下接頭中Mg 元素的含量和Cu/MgFig.9 The content of Mg element and Cu/Mg in joint under different defocusing amounts.(a) the content of Mg element;(b) Cu/Mg

2.4 接頭顯微硬度分析

如圖10 所示，對激光功率為3250 W，焊接速度為10 mm/s，保護氣體流量為15 L/min，離焦量為?2 mm 和 +2 mm 的接頭分別進行顯微硬度測量.

圖10 不同離焦量下的顯微硬度對比Fig.10 Microhardness comparison under different defocus amounts

測量自焊縫最上端區域開始至母材區域結束.其中母材區域平均硬度約為130 HV，正離焦量時焊縫區的平均硬度約為110 HV，熱影響區的平均硬度約為106 HV；負離焦量時焊縫區的平均硬度約為106 HV，熱影響區的平均硬度約為109 HV.導致焊縫區域硬度降低的原因除前文中所述的強化相改變外，還因為在母材中強化相細小而均勻的分布在α-Al 基體中，然而由于焊縫區域存在部分Mg 元素燒損，使得強化相S 的含量減少并且存在于晶界處的網絡低熔點共晶組織中，因此焊縫區域的整體硬度會低于母材.但由于焊縫中心區域存在著大量的細小等軸晶，存在細晶強化作用，硬度降低趨勢得以部分抑制.有相關研究表明，焊縫中心位置低熔點共晶呈連續網狀分布容易導致焊縫金屬的硬度降低[14].因此在宏觀上體現為焊縫區域硬度與母材相比呈現較低的水平.由于負離焦量時焊縫中的強化相S 含量較正離焦量時有所減少，并且晶粒較為粗大，使得離焦量為負時，焊縫的硬度值較低.

2.5 氣密性測試

如圖11 所示，分別采用激光功率為3250 W，焊接速度為10 mm/s，保護氣體流量為15 L/min，離焦量為+2 mm 和?2 mm 的工藝參數對2 塊鋁合金板的一側進行封邊焊接，在其另一側開槽.

圖11 氣密性測試試樣制備Fig.11 Preparation of sample for air tightness test.(a) the edge sealing weld with defocusing amount of +2 mm;(b) the slotted sample with defocusing amount of +2 mm;(c) the edge sealing weld with defocusing amount of?2 mm;(d) the slotted sample with defocusing amount of ?2 mm

采用盛水試驗對制備的試樣進行氣密性測試，以水自重所產生的靜壓來檢驗結構有無滲漏現象，氣密性測試過程和結果如圖12 所示.分別向兩個槽中注滿水，將封邊焊縫這側放到吸水紙上面，靜置一段時間，把試樣移開，吸水紙均未濕，表明兩個封邊試樣均無水滲漏，因此激光封邊焊接的氣密性均良好.

圖12 氣密性測試過程和結果Fig.12 Process and results of air tightness testing.(a) the process of testing with defocusing amount of +2 mm;(b) the result of testing with defocusing amount of +2 mm;(c) the process of testing with defocusing amount of?2 mm;(d) the result of testing with defocusing amount of ?2 mm

3 結論

(1) 2A12 鋁合金激光封邊焊接焊縫幾何特征的主要影響因素依次為離焦量、焊接速度和激光功率，而保護氣體流量為非顯著性因素.

(2)在熔合線附近和過渡區域均是胞狀樹枝晶組織，強化相沿晶界分布；在焊縫中心區域是等軸晶組織，強化相主要呈現顆粒狀分布于晶界處，少量分布于晶粒內部.與正離焦量相比，負離焦量時，焊縫的晶粒尺寸較大.

(3)正、負離焦量時，焊縫的硬度均低于母材；采用負離焦量時，焊縫硬度較低.主要因為是焊接過程中Mg 元素的燒損降低了焊縫中強化相S 的含量.離焦量為 +2 mm 和?2 mm時，激光封邊焊接的氣密性均良好.