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Laser Welding of Advanced Materials | Views : 198 Downloads: 289 CSCD: 0

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    • Effect of Rare Earth Yttrium Element on Microstructure and Properties of Aluminum Alloy Laser Welded Joints

    • NIE Yu

      1 ,

      DENG Ailin

      2 ,

      CHEN Hui

      2 ,

      ZHANG Yinbo

      2 ,

      LIU Yan

      2 ,

      WU Yahui

      2 ,

      ZHANG Bingxu

      2
    • Vol. 53, Issue 7, Pages: 102-109(2023)   

    • DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.14     

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  • NIE Yu, DENG Ailin, CHEN Hui, et al.Effect of Rare Earth Yttrium Element on Microstructure and Properties of Aluminum Alloy Laser Welded Joints[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(7): 102-109. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.14.
    Sections

    Abstract

    The effect of yttrium(Y) element on the microstructure and mechanical properties of ingot and the effect of laser welded joint microstructure, tensile properties and hot crack susceptibility of aluminum alloy were studied by preparing filler wires with different Y content. The results showed that when Y element was added into the ingot, the lumpy phase was formed, and the mechanical properties of the ingot decreased with the increase of Y content. Through laser welding with self-made welding material, it was found that when the content of Y in the welding material was 0.15 wt.%, the laser welded joint could obtain fine microstructure at weld zone, and the tensile strength of the joint was improved to a certain extent. However, with the further increase of Y element, the mechanical properties were gradually decreased, and the microstructure was also gradually coarsened. The columnar crystal area was narrower than the area without adding Y, and the number of equiaxed crystals increased. The hot crack experiment showed that adding 0.15 wt.% Y element could narrow the columnar crystal region compared to the region without adding Y, and increase the number of equiaxed crystals, which could reduce the welding hot cracking susceptibility.

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    Keywords

    rare earth element Y; aluminum alloy; laser welding; hot cracking susceptibility

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    0 前言

    高速列车作为我国重要的民生基础设施，在国民经济发展中发挥了不可替代的作用，进一步轻量化、智能化是现代高速列车的必由之路［

    1-3］。目前高速列车轻量化的关键技术和重要途径是采用轻质高性能铝合金材料，铝合金的焊接方法有搅拌摩擦焊、TIG焊、激光焊等，其中激光焊接热量密度高、热影响区小、焊后变形小，更适合高精度车体框架的焊接［4-6］。但激光焊接的高能量作用导致低熔点元素蒸发，减少焊缝中强化相元素含量，使得接头强度降低［7］。此外，在激光焊接急速冷却条件下，液态金属的回流愈合能力降低，晶间液膜在局部应力的作用下容易被撕裂形成凝固裂纹［8］。
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    焊接时焊材不仅可以给焊缝补充额外金属以改善焊缝成形，还可以添加强化元素提高接头性能，降低热裂纹敏感性［

    9-10］。但目前国内铝合金焊材大部分依赖进口，亟需开发高性能铝合金激光焊接材料。稀土元素钪可以很好地强化铝合金［11］，但其价格较为昂贵，而钇（Y）元素价格低廉也有类似作用。针对Y对铝合金的强化作用，许志华等［12］研究了不同Y含量的Al-1%Mn合金铸锭，结果表明，Y很好抑制了粗大初生α-Al枝晶，含Y量在0.31 wt.%时晶粒的平均尺寸最小，晶粒细化效果最好。宋泽明等［13］采用第一性原理计算方法得到Y在铝合金中较为稳定的结构是Al3Y。李桂荣等［14］研究了Y对7系铝合金的强化作用，结果表明，Y元素含量在0.25 wt.%时细晶强化效果最明显，二次枝晶臂间距减小。
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    上述研究只针对铸造或轧制条件下Y对铝合金的影响，而Y元素在激光焊接急速冷却过程中对铝合金的作用机制尚不明确。为此，本文通过制备不同Y含量焊丝来研究Y元素对激光焊接接头组织及性能的影响作用，采用鱼骨法来评价焊接热裂纹敏感性，为国产铝合金焊丝的研制提供理论依据。

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    1 试验材料及方法

    试验母材采用3 mm厚的6082-T6板，焊丝采用Y含量分别为0 wt.%，0.15 wt.%，0.3 wt.%，0.5 wt.%的自制焊丝，焊丝成分如表1所示。焊丝制备流程如下：将纯Al（99.99%）、纯Mg（99.99%）、Al-10Mn、Al-10Ti、Al-50Cu、Al-10Cr、Al-10Y中间合金在720 ℃中频炉的坩埚中熔化，并浇注在直径100 mm的水冷铜模中获得铸锭，将铸锭在465 ℃下均匀化36 h，然后车削为直径90 mm的圆柱，随后将圆柱在430 ℃下挤压成直径8 mm的线材，再通过拉拔获得直径1.6 mm的铝合金焊丝。

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    表1  焊丝的化学成分（质量分数，%）
    Table 1  Composition of laser filler wires （wt.%）
    序号SiCuMnMgTiCrAlY
    1 0.06 0.08 0.15 5.0 0.1 0.1 Bal. 0
    2 0.06 0.08 0.15 5.0 0.1 0.1 Bal. 0.15
    3 0.06 0.08 0.15 5.0 0.1 0.1 Bal. 0.3
    4 0.06 0.08 0.15 5.0 0.1 0.1 Bal. 0.5
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    焊接试验采用通快TRUMP-10002激光器，并用99.99%氩气作为保护气体，具体焊接工艺参数如表2所示。焊接热裂纹敏感性采用鱼骨法进行评价，4组鱼骨试样的焊接工艺保持一致，鱼骨试样形状和大小如图1所示，裂纹长度作为裂纹敏感性的评价依据［

    15］。
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    表2  激光焊接工艺参数
    Table 2  Laser welding process parameters

    功率

    /kW

    焊接速度

    /（mm·s-1）

    送丝速度

    /（m·min-1）

    保护气流量

    /（L·min-1）

    离焦量

    /mm

    8.5 100 8.3 15 -3
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    fig

    图1  鱼骨法示意［

    15］

    Fig.1  Schematic diagram of fish bone method［

    15］

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    使用电火花线切割制备金相和拉伸试样，腐蚀试剂为Keller试剂（1 mL HF、1.5 mL HCl、2.5 mL HNO3、95 mL H2O），腐蚀时间40 s，金相显微镜用于铸锭和焊接接头金相分析，并对焊接接头和铸锭进行抗拉强度测试，通过SEM扫描电子显微镜进行形貌观察，EDS能谱分析以及电子背散射衍射EBSD分析铸锭和焊接接头中沉淀相组成以及晶粒尺寸情况。采用Image-Pro Plus软件测量二次枝晶臂间距，分别取焊缝中心上、中、下三个位置的金相组织，每个视野测量100个二次枝晶臂间距，然后求取平均值，即为该焊缝组织的二次枝晶臂间距。

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    2 试验结果及讨论

    2.1 铸锭组织及力学性能

    图2为不同Y含量的铝合金铸锭金相组织。由图2可知：低倍光镜下，没有添加Y时，基体中无明显析出相；当Y含量为0.15 wt.%时，析出相呈细小的颗粒状弥散分布于基体中；当Y含量增至0.3 wt.%，析出相数量增多并开始发生聚集；当Y含量达到0.5 wt.%时，出现大块状的不均匀分布的析出相。由高倍光镜下的金相组织可以看出，合金铸态组织主要为α-Al基体，在晶界上存在少量的非平衡相。随着Y含量的增加，细小的颗粒状和块状析出相在晶界处析出。

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    fig

    图2  不同Y含量的铸锭组织

    Fig.2  Microstructure of aluminum ingot with different Y content

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    图3为电镜扫描背散射模式下不同Y含量的铸锭析出相形貌。由图可知，未添加Y的铸锭，仅存在少量的弥散分布的细小颗粒相。添加Y的铸锭，除了细小的颗粒相外，还存在块状相和短棒状析出相。且随着Y含量的增加，大块状的四边形析出相和短棒状析出相增多，并发生聚集。利用扫描电镜的能谱仪分别对几种析出相进行分析，EDS结果如表3所示。由表3可知，未添加稀土的铸锭组织中细小的弥散相主要由Al、Mg、Fe和Mn元素组成，可能由Al6（Mn，Fe）和Mg2Al3相形成。添加Y的铸锭中析出相均含有Y元素。图4为含Y量为0.15 wt.%时铝合金铸锭中块状相元素分布。可以看出，Al元素主要分布在基体内，而合金元素富集在块状析出相中。从偏聚情况来看，Y、Ti、Cr具有类似偏聚行为，主要富集在析出相中，Mg、Mn元素也有一定程度的富集，但部分固溶在α-Al基体中。

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     EN

    fig

    图3  背散射模式下不同Y含量的铸锭析出相形貌

    Fig.3  Morphology of aluminum ingot precipitates with different Y content

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    表3  铸锭EDS分析结果（原子分数，%）
    Table 3  EDS analysis results of ingots （at.%）
    点MgTiCrMnYFeAl
    1 6.76 0.66 0.66 1.80 0 2.05 88.07
    2 20.17 0.01 0 0.01 25.17 0.00 70.73
    3 3.94 0.05 0.39 1.49 4.46 7.61 81.98
    4 19.23 0.06 0.00 0.00 9.21 0.11 71.33
    5 9.01 5.01 3.25 0.38 3.87 0.02 78.45
    6 13.83 0.00 0.03 0.00 7.89 0.00 78.15
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    fig

    图4  块状相的EDS面扫（Y含量为0.15 wt.%）

    Fig.4  EDS face sweep result （Y=0.15 wt.%）

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    为进一步确定铸锭的相组成，对4种合金进行X射线衍射分析，其结果如图5所示。

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    fig

    图5  铸锭组织X射线衍射图谱

    Fig.5  X-ray diffraction pattern of ingot structure

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    在未添加Y的铸锭中，主要为α-Al相和Al3Mg2相。随着Y的添加，逐渐产生含Y的析出相Al3Y，当Y含量达到0.3 wt.%时，出现了Al2Y峰，当Y含量达到0.5 wt.%时，Al2Y峰消失，却产生了AlYMn相。这是因为Y在α-Al基体中的固溶度低，约0.04 wt.%，容易在固液界面前沿富集，阻碍其他原子进入α-Al基体中［

    16］。当Y元素添加量较低时，优先与Al形成Al3Y，随着Y含量增加，产生Al2Y相，当Y含量达到0.5 wt.%时，此时Y在前沿严重富集，可能与其他元素反应形成AlYMn等相，从而减少了Al2Y的形成，因此Al2Y的峰减弱。4种不同含Y量的铸锭的拉伸性能结果如图6所示。
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    fig

    图6  不同Y含量的铸锭力学性能

    Fig.6  Mechanical properties of ingots with different Y content

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    由图可知，随着Y元素含量增加，拉伸强度和延伸率均降低。含Y的块状相和棒状析出相聚集在晶界，割裂基体，使得合金的塑性降低。此外，Y富集在界面前沿，阻碍了强化相元素进入α-Al基体中，减弱了固溶强化效果，因此随着Y含量的增加合金强度下降。

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    2.2 Y元素对激光焊接头组织和力学性能的影响

    图7为不同Y含量的激光焊接接头焊缝区组织。未添加Y的焊缝组织主要为大尺寸的枝晶，当采用添加Y的焊材后，其焊缝区枝晶的二次枝晶臂间距明显减小，随着Y含量的增加，二次枝晶臂间距呈现先减小后增大的趋势，如图8所示。

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    fig

    图7  不同Y含量的激光焊接接头焊缝区组织

    Fig.7  Microstructure of fusion of laser welded joints zone with different Y content

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    fig

    图8  不同Y含量的激光焊接接头焊缝区二次枝晶臂间距

    Fig.8  Spacing of secondary dendrite arm spacing of laser welded joints with different Y

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    当焊材中的Y含量为0.15 wt.%时，焊缝区二次枝晶臂间距最小。此外，在焊缝区组织中析出相并无明显的聚集现象，这是因为焊接过程中，焊材中的元素被母材稀释，Y含量在焊缝区中远低于铸锭中的含量，无法聚集形成大块状的析出相。在激光焊接冷却过程中，大部分的Y富集在固液界面前沿，产生成分过冷，限制枝晶外延生长，组织被细化。但随着焊缝中Y含量的增加，增加了含Y化合物的形成趋势，使得固液界面前沿的Y含量减少，成分过冷度减小，从而降低了Y对基体的生长限制作用［

    17］，因此组织有所粗化。
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    图9为4种焊接接头的力学性能，可见当焊材中Y含量为0.15 wt.%时，接头力学性能最好，抗拉强度达到266 MPa，延伸率达到8%。少量的Y在铝合金中对枝晶的生长起到生长限制的作用，细化了接头组织，从而使得力学性能提高。当焊材中Y含量为0.5 wt.%时，接头性能最差。不同Y含量的铝合金激光焊接接头拉伸断口形貌如图10所示，可以看到有大量韧窝，表明接头属于韧性断裂。当Y含量为0 wt.%时，接头的拉伸断口中存在大量较大尺寸的韧窝，且深度较小。随着Y含量的添加，接头断口的韧窝尺寸小且深。当焊材Y含量为0.5 wt.%的接头断口中，韧窝底部存在大量的第二相粒子，对第二相粒子进行能谱分析发现其成分与铸锭中块状相的成分相似，Y与Al、Mg、Ti等形成粗大的化合物，导致枝晶粗化，此外还消耗了强化相元素，降低了固溶强化作用，因此接头力学性能降低。

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    fig

    图9  不同Y含量的激光焊接接头力学性能

    Fig.9  Mechanical properties of laser welded joints by using different Y content weld wire

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    fig
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    图10  不同Y含量的焊接接头拉伸断口形貌及能谱

    Fig.10  The tension fracture morphology and morphology of laser welded joints with different Y content

    2.3 Y元素对接头热裂纹敏感性的影响

    鱼骨法实验结果如图11所示。当Y含量为0.15 wt.%时，焊缝裂纹长度最短，随着Y元素含量继续增加，焊缝裂纹长度增加，总体上呈现先减少后增加的趋势，这表明含Y量为0.15 wt.%时，热裂纹敏感性最小。研究表明当Y含量为0.15 wt.%时接头焊缝区具有最细的组织。焊缝金属在凝固过程的最后阶段，处于糊状区时在外界拉应力的作用下产生热裂纹［

    18］。假设在给定的时间内在糊状区施加一定的总应变。随着晶粒尺寸的减小，晶界密度增大，细化组织中应变分布在更多的晶界上，使得每个晶界的局部应变得到缓解，因此晶粒越细越不容易产生热裂纹［19］。图12a、12b分别是Y含量为0 wt.%和0.15 wt.%的焊接接头EBSD结果。可以看出焊缝中心由等轴晶组成，由于枝晶朝着热量流失的方向生长，在近热影响区产生柱状晶区，对比未添加Y的焊缝，添加Y的焊缝区其柱状晶区更窄，且焊缝中心的晶粒主要分布在细晶区，如图12c所示。等轴晶区的增加进一步降低了热裂纹的敏感性，因此当焊材中Y含量为0.15 wt.%时，激光焊接接头的热裂纹敏感性最小。
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    fig

    图11  鱼骨法实验结果

    Fig.11  The results of fish bone method

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    fig

    （a） 0 wt.% Y

    （b） 0.15 wt.% Y

      

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    fig

    （c）  晶粒尺寸

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    图12  采用不同Y含量焊丝的焊接接头EBSD结果

    Fig.12  EBSD results with different Y content

    3 结论

    （1）在铝合金铸锭中添加Y元素，在晶界处形成粗大的含Y块状相，随着Y含量的增加，块状相逐渐在晶界富集，割裂基体。此外，过多的Y元素与合金中的强化相元素反应，减弱了固溶强化作用，降低铸锭的力学性能

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    （2）通过自制的焊材进行激光焊接，当焊材中Y含量为0.15 wt.%时，能够显著细化焊接接头的组织且获得最优的力学性能，接头抗拉强度最高达到266 MPa，延伸率达到8%。随着Y含量的增加，组织逐渐粗化，呈现先减小后增大的趋势，力学性能也逐渐下降，当焊材中Y含量达到0.5 wt.%时，拉伸断口中出现粗大的第二相，严重降低接头力学性能。

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    （3）与未添加Y元素相比，使用含Y的焊材焊接铝合金，可以降低热裂纹敏感性，当焊材中的Y元素为0.15 wt.%时，接头焊缝等轴晶区的宽度有所增加，从而降低热裂纹敏感性。随着Y含量的进一步增加，热裂纹敏感性也有所增加，总体呈现先减少后增加的趋势。

    transl
     EN

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