激光焊接新开发的AI-7Mg合金所产生的搭接接头的微观结构和拉伸剪切行为

引言

本研究聚焦新型高镁Al–7Mg合金在激光焊接过程中面临的凝固裂纹、气孔、热影响区软化及界面结合问题，采用连续波Nd:YAG激光深熔焊方法开展搭接焊试验。通过控制激光功率与焊接速度实现稳定匙孔与合适热输入，利用快速凝固形成非平衡共晶组织并激活共晶愈合机制，抑制热裂纹并改善界面结合。研究建立多尺度表征方法，系统分析焊接参数对熔池形态、显微组织演变、缺陷生成及力学性能的影响规律，为高镁铝合金在轻量化结构中的激光焊接应用提供工艺依据与理论支撑。

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文章概述

本文采用连续波激光焊接技术，对新型Al–7Mg合金薄板进行搭接焊，研究激光功率（1.50–2.00kW）和焊接速度（8–11m/min）对接头成形、显微组织及拉剪力学行为的影响。试验结果表明，适当热输入可实现连续全熔透、无气孔、无凝固裂纹的优质接头。焊缝区形成非平衡共晶组织，硬度高于母材；热影响区因晶粒粗化与Al₃Mg₂相晶界熔化出现软化。随激光功率提高，焊缝晶粒粗化，断裂模式由韧性向脆性过渡，断裂位置主要出现在焊缝 / 热影响区界面。最优参数组合为1.75kW、9m/min，可获得拉剪强度约225MPa、伸长率约30%的高性能接头。研究揭示了熔池动力学、组织演变与力学性能之间的关联机制，证明连续波激光焊可显著提升Al–7Mg合金的焊接性。

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图文分析

图1展示了不同焊接参数下焊缝正反面宏观形貌。激光功率1.50kW时，随焊接速度提高，焊缝由断续全熔透逐渐变为未熔透，原因是热输入显著降低。功率1.75kW时可实现连续全熔透。功率2.00kW时所有速度均为全熔透，但在 8、9m/min 低速条件下因热输入过高出现背面变色与过热现象。整体来看，提高激光功率或降低焊接速度均会提高热输入，有利于实现全熔透。

图1 铝-7Mg合金焊珠形态的光学显微镜图像，激光功率为1.50至2.00千瓦，行进/焊接速度为8至11米/分钟

图2展示了铝-7Mg合金在不同LBW条件下激光焊接相关横截面的OM图像。焊缝整体呈典型激光深熔焊的沙漏形轮廓。在部分参数下焊缝内部靠近板界面位置出现气孔，主要出现在1.50kW、9和11m/min，以及2.00kW、9和11m/min 条件下，气孔来源于熔池凝固收缩、匙孔波动、氢溶解与液相流动不均。在最优参数区间内未观察到明显气孔缺陷。

图2 与不同LBW条件下加工的铝-7Mg合金激光焊接处相关的横截面的光学显微镜图像。黑色箭头表示孔隙度

图3展示了焊缝熔深与上、中、下部宽度的统计结果。在相同焊接速度下，激光功率由1.50kW提高至2.00kW，焊缝宽度与熔深均增大，源于热输入提高使熔池扩展。在相同激光功率下，提高焊接速度会降低热输入，使熔宽与熔深减小。在1.75kW 与2.00kW较高功率下，熔深对焊接速度变化不敏感，保持稳定全熔透状态。

图3 确定（a）Al–7Mg激光接头的焊缝深度和（b）焊接宽度，以及不同LBW参数对以下因素的影响：（c-e）Al–7Mg激光接头的焊缝宽度[注意：（c）顶部，（d）中间，（e）底部]，以及（f）激光接头的焊接深度

图4展示了Al–7Mg合金母材显微组织。铸态组织由铝基体与少量弥散析出相组成，经EDS分析主要为 Al₃Fe、Mg₂Si与Al₃Mg₂。光学显微组织显示母材为单相α-Al晶粒，析出相尺寸细小，在光学显微镜下不易分辨。

图4 （a）铝-7Mg合金的FE-SEM显微照片（次级电子模），（b）图像a的EDS结果，以及（c-d）焊接前铝-7Mg合金的光学显微照片

图5和图6分别展示了1.75kW、9m/min参数下焊缝显微组织以及为不同参数下焊缝EBSD反极图与晶粒尺寸分布。焊缝中心区域为非平衡共晶枝晶组织，由激光焊接高加热与冷却速率导致元素偏聚达到共晶点而形成。在焊缝与热影响区界面处，热影响区晶粒明显粗化，同时出现晶界局部熔化现象，原因是晶界上的 Al₃Mg₂相熔点较低，在焊接热循环下发生熔化形成液态薄膜。焊缝组织由熔合线附近的柱状晶与中心的等轴晶组成，由温度梯度与凝固速率共同决定。提高焊接速度会降低热输入、提高冷却速率，使焊缝晶粒细化。提高激光功率会增加热输入、降低冷却速率，导致晶粒粗化。热影响区晶粒同样随功率升高而更加粗大。

图5 典型 Al–7Mg激光接头在激光功率1.75千瓦、焊接速度9米/分钟时的光学显微图像：（a）激光焊接截面，（c）WZ中心，以及（b）和（d）WZ/HAZ接口

图6 在不同焊接条件下绘制的铝-7Mg激光搭接焊点 IPF 图谱：（a）激光功率1.75千瓦，移动速度8米/分钟，（b）激光功率1.75千瓦，移动速度11米/分钟[注意：（1）：等轴晶粒，（2）柱状晶粒，（3）冷区细粒，（4）略微粗化的增益，以及（5）BM颗粒，（c）2.00千瓦激光功率和 8米/分钟的飞行速度，以及（d）与IPF图谱相关的晶粒尺寸分布直方图

图7展示了焊缝截面显微硬度分布曲线。焊缝区硬度高于母材与热影响区，主要由非平衡共晶组织强化作用导致。热影响区硬度低于母材，出现明显软化现象，主要原因是焊接过程中晶粒粗化以及强化相 Al₃Mg₂的溶解与粗化。

图7 铝-7Mg合金激光搭接焊件的微硬度剖面（维克斯），该焊缝以1.50千瓦激光功率、8米/分钟（t为厚度）加工

图8展示了所有试样的拉伸剪切性能对比。屈服强度、拉剪强度和伸长率在最优参数区间达到最高，包括1.50kW与2.00kW在10m/min、1.75kW在9m/min。这些参数均获得无气孔全熔透接头。当焊缝内部存在气孔时，承载面积减小且应力集中，导致强度与塑性明显下降。最优接头拉剪强度约225MPa，伸长率约30%。

图8 铝-7Mg合金激光搭接焊的工艺参数与拉伸剪切特性之间的关系（YS：屈服强度和 TSS：拉伸剪切强度）

图9和图10分别展示了1.75kW、8m/min参数下接头拉伸剪切断口形貌以及2.00kW、8m/min参数下接头拉伸剪切断口形貌。热影响区与焊缝区断口均由韧窝与少量解理面组成，韧窝占主导，表现为明显的韧性断裂特征，源于焊缝晶粒较细、组织均匀且无明显缺陷。热影响区断口以解理面为主，脆性特征显著。焊缝区断口存在韧窝与解理混合形态，并观察到凝固收缩孔洞，孔洞成为应力集中点促进裂纹萌生与扩展。随激光功率提高，晶粒粗化使裂纹扩展阻力降低，断裂模式由韧性向脆性转变。

图9 铝-7Mg激光搭接焊的FE-SEM断口图（次级电子模）因单轴拉伸载荷/拉伸剪切测试（激光功率1.75千瓦，传播速度 8 米/分钟）失效：（a1-a3）与HAZ相关的断口图和与 WZ 相关的（b1-b3）

图10 Al -7Mg激光搭接焊的FE-SEM断口图（次级电子模）在单轴拉伸载荷/拉伸剪切测试（激光功率2.00千瓦，焊接速度8米/分钟）中失效：（a1-a3）与HAZ相关的断口图，（b1-b3）与 WZ 相关的断口图

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总结

本研究采用连续波激光焊接完成Al–7Mg合金搭接接头制备，系统分析了工艺参数、组织与性能之间的关系。激光功率不低于1.75kW且焊接速度不高于10m/min可实现连续全熔透焊缝，功率过高、速度过低会引起过热变色。焊缝中未出现凝固裂纹，连续波激光较低的凝固与冷却速率、无明显镁烧损以及共晶愈合机制共同提升抗裂性。焊缝区形成非平衡共晶组织，热影响区出现晶粒粗化与晶界局部熔化。焊缝硬度高于母材，热影响区呈软化特征。优化参数可获得无气孔接头，拉剪强度约225MPa，伸长率约30%。接头断裂位置位于焊缝 / 热影响区界面，随激光功率升高，断裂由韧性向脆性过渡。整体表明，连续波激光焊可实现Al–7Mg合金高可靠性焊接，为轻量化结构件制造提供可行方案。

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