高强铝合金双丝GMAW焊接工艺

1、沈阳工学院毕业论文摘 要 2519高强铝合金是一种新型装甲材料，具有比较高的比强度和比刚度以及良好的加工和力学性能，其优点是其在抗弹性能不低于原7039装甲铝合金前提下，在海水及盐雾环境下的抗应力腐蚀性能明显提高，到目前为止是制造轻型装甲战车的比较理想的材料。铝合金装甲在生产过程中通常采用电弧焊的方法进行连接，但是焊接过程中存在问题，比如热裂倾向大、气孔敏感性高等问题，同时2519铝合金对焊接热输入还比较敏感，如果工艺规范控制不当接头组织会发生变化，并且影响焊缝及热影响区的性能，从而严重降低了焊接结构件的总体强度和使用寿命，这些种种特点使得2519铝合金在国内目前还没有得到推广和应用。炮塔装甲

2、构件通常都有点厚大（厚度达20-80mm） ，用常规弧焊方法进行连接，生产效率非常低。而双丝GMAW焊方法是近年来新推出的焊接方法，和普通单丝GMAW焊相比，双丝焊具有以下特点，焊接效率高、热影响区小、低飞溅和低气孔率等，它适用于厚板铝合金装甲的生产。本次论文选用材料2519高强度铝合金，针对2519高强铝合金厚板双丝GMAW焊接工艺进行探索和研究。探讨焊接接头组织性能，力学性能等试验方法，分析焊接接头的宏观形貌、显微组织、机械力学性能和焊缝析出相。 关键词：2519高强度铝合金；GMAW焊接；组织；力学性能 IAbstract 2519 high strength aluminum allo

3、y is a new type of armor materials, has a relatively high specific strength and specific stiffness and good processing and mechanical properties, its advantage is its resistance to aluminum alloy on the premise of not less than the original 7039 armor, under the environment of sea water and salt fog

4、 obviously improve the stress corrosion resistance, so far is the ideal material to make light armored vehicles.Aluminum alloy armor in the process of production is usually adopt the method of arc welding to connect, but problems exist in the process of welding, such as cracking tendency, stomatal s

5、ensitivity is high, and 2519 aluminum alloy is sensitive to welding heat input is, if the improper control of process specification joint organization change, and affect the performance of weld seam and heat affected zone, thus severely reduces the overall strength and service life of the welded str

6、ucture, these features make 2519 aluminum alloy in domestic is still didn't get the promotion and application.Turret armor components are usually a bit heavy (20-80 - mm) in thickness, connect with conventional arc welding method, the production efficiency is very low. Double wire GMAW welding m

7、ethod is a new welding method in recent years, compared with the ordinary monofilament GMAW welding, double wire welding has the following characteristics, high welding efficiency, small heat affected zone, low spatter and low porosity, etc., it is suitable for the production of thick plate aluminum

8、 alloy armor. This paper selects 2519 high strength aluminum alloy material, 2519 high strength aluminum alloy thick plate double wire GMAW welding process to explore and research. Welding joint organization performance, mechanical properties, such as test method, analysis of the appearance of weld

9、appearance, microstructure, mechanical properties and weld precipitated phase. Key words: 2519 high strength aluminum alloy; GMAW welding; Organizations; Mechanical properties ofII目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 高强度铝合金简介11.1.1铝合金应用11.1.2 铝合金历史发展11.1.3 铝的特性11.2 2519高强度铝合金21.2.1 2519高强度铝合金力学性能21.2.2 2519高强

10、度铝合金组织与性能21.2.3 2519铝合金热变形组织演化31.2.4 2519铝合金的均匀化热处理31.3课题研究的内容和意义41.3.1课题研究的内容41.3.2课题研究的意义4第2章 实验材料、设备及方法52.1 实验材料52.1.1母材52.1.2 焊接材料52.2 实验设备52.2.1 焊接设备52.2.2 拉伸性能检测设备72.2.3 维氏硬度测试设备72.2.4 光学金相显微观察设备82.3 实验方法9第3章 实验结果与分析113.1 焊接接头焊缝表面和组织分析113.1.1 DL焊缝表面分析113.1.2 XS焊缝表面分析113.1.3 2519铝合金焊接接头显微组织123.

11、2 2519高强度铝合金焊接接头的硬度分布143.2.1铝合金焊接接头硬度分析143.2.2 2519铝合金焊缝区硬度分析143.3 接头的抗拉伸实验结果及分析153.4 焊接接头冲击试验结果及分析16第4章 结论17参考文献18致谢19III第1章 绪论1.1 高强度铝合金简介1.1.1铝合金应用铝合金是工业当中最广泛应用的一类有色金属结构材料，在航天、航空、汽车及机械制造船舶和化学工业中大量的使用。在工业经济的飞速发展的时代，对于铝合金焊接结构的需求日益增加，使得铝合金的焊接性能也变得更加深奥和困难。1.1.2 铝合金历史发展 氧化铝在1808年在实验室利用电解还成为铝材，于1884年即被

12、作为建筑材料使用在美国华盛顿纪念碑尖顶上至今；铝材加入各种金属元素合成的铝合金材料已被建筑工业广泛应用在各环节上。1908年美国铝业公司发明电工铝合金1050，并制成钢芯铝绞线，开创高压远程输电先锋。1915年美国铝业公司发明2017合金，1933年发明2024合金，使铝在航空器中的应用得以迅速扩大。1933年美国铝业公司发明6061合金，随即创造了挤压机淬火工艺，显著扩大了挤压型材应用范围。1943年美国铝业公司发明了6063合金及7075合金，开创了高强度铝合金的新纪元。1965年美国铝业公司又发明了A356铸造铝合金，这是经典铸造铝合金。1.1.3 铝的特性纯铝的密度小，密度：=2.7g

13、/cm3，是铁的 1/3，熔点比较低，熔点是660，铝是面心立方结构，还有很高的塑性，:3240%，:7090%，容易加工，可制作各种型材、板材，它的抗腐蚀性能比较好。纯铝的强度很低，退火状态比较好，不适合作结构材料。人们逐渐以加入合金元素并且运用热处理等方法来强化铝，经过长期的生产实践和科学实验，得到了一系列的铝合金。添加一定的元素形成的合金，在保正纯铝质量轻的优点的同时还能具有很高的强度，b 值可达 2460kgf/mm2。这样使得它的“比强度”强过很多的合金钢，是理想的结构型材料，广泛用于机械制造、动力机械、运输机械及航空工业等方面，飞机的机身、压气机等常以铝合金制造，减轻自重。采用铝合

14、金来代替钢板材料的焊接，重量可减少一半以上。1.2 2519高强度铝合金1.2.1 2519高强度铝合金力学性能 通过拉伸测试、扫描电镜与透射电镜等方法, 来研究液氮温度和室温下2519铝合金板材的拉伸力学性能。实验研究结果表明: 当变形温度由293 K降至77 K时, 合金纵向抗拉强度由493.64 MPa升至607.35 MPa, 提高了23.1%, 屈服强度由454.83 MPa上升到516.53 MPa, 提高了13.7%；而且合金低温横向抗拉强度与屈服强度分别提高了23.6%和20.0%。低温变形时合金纵向、横向伸长率均有一点提高。这是由于在低温变形过程中抑制平面滑移, 变形均匀性增

15、强，加工硬化指数增加,导致材料的强度增加, 塑性提高。1.2.2 2519高强度铝合金组织与性能 使用进口4047焊丝对2519铝合金进行MIG焊，对焊接接头的力学性能和显微组织进行了研究。研究表明，2519铝合金的焊接性能比较好，因为热循环的作用，焊接接头的力学性能相对于基材发生了比较大的变化。2519铝合金焊接接头的力学性能低于基材的性能，恰恰铝合金最薄弱环节是焊缝处，然后是焊接热影响区内的软化区，而形成软化区的主要原因是强化相粒子发生过时效而粗化。2519铝合金是Al-Cu系热处理可强化合金，是20世纪80年代开发的一种新型装甲铝合金，虽然说2519铝合金有着良好的综合性能，但在焊接过程

16、当中受到焊接热输入的影响，组织结构发生了变化，焊缝及焊接热影响区里面的合金性能发生了变化，严重的影响了装甲车体焊接构件总体强度和使用寿命。图1.1 2519铝合金焊接接头显微组织2519高强铝合金是一种新型装甲材料，具有比较高的比强度和比刚度以及良好的加工和力学性能，其优点是其在抗弹性能不低于原7039装甲铝合金前提下，在海水及盐雾环境下的抗应力腐蚀性能明显提高，到目前为止是制造轻型装甲战车的比较理想的材料。1.2.3 2519铝合金热变形组织演化使用Gleeble-1500热模拟实验机研究2519铝合金高温变形组织演化行为。分析合金在不同压缩条件下的组织形貌特征时，利用光学显微镜(OM)及透

17、射电子显微镜(TEM)。实验表明，2519铝合金在变形温度为300450、应变速率为0.011 s-1的条件下，仅发生动态回复；而在变形温度为350450，变形速率达到10 s-1的条件下变形时，发生动态再结晶，动态再结晶机制为几何动态再结晶和连续动态再结晶。Gleeble-1500热模拟机进行高温等温的压缩实验，研究了2519铝合金在变形温度为300450、应变速率为0.0110s-1条件下的流变变形行为。实验结果表明，变形温度和应变速率对合金流变应力的大小有明显影响，流变应力与温度成反比，随温度升高而降低，与变速率成正比，随应变速率的提高而增大。在应变速率·<10s-1前提

18、下，流变应力开始随应变增加而增大，达到峰值后趋于平稳，表现出动态回复的特征；而在·=10s-1，t350的变形条件下，铝合金发生了局部的动态再结晶。可用包含Arrhenius项的Zener2Hollomon参数描述2519铝合金高温塑性变形时的流变行为。1.2.4 2519铝合金的均匀化热处理采用扫描电镜(SEM)、差热扫描分析(DSC)、X射线衍射(XRD)和能谱分析(EDS)等。研究了2519铝合金铸态及不同工艺均匀化处理后的显微组织结构和合金元素分布状况。研究结果表明:合金铸态组织的成分偏析比较严重,合金元素Fe、Cu多偏聚于晶界处,形成Al2Cu和Al7Cu2Fe两个共晶相；

19、最佳均匀化温度是530,时间是12.15 h。在这种情况下,共晶相Al2Cu溶解充分,溶入晶内基体中的Cu元素浓度最高；在530下进行均匀化处理,合金也表现出最佳的力学性能。图1.2均匀化动力学曲线1.3课题研究的内容和意义1.3.1课题研究的内容 （1）研究2519铝合金的特点分类及GMAW的焊接方法。 （2）制定2519铝合金材料的焊接工艺，选定焊接参数，按照所选定的参数得到GMAW焊焊接的接头试样。 （3）打磨抛光试样，腐蚀，用光学显微镜观察焊接接头的基体、熔合区、热影响区及其它不同部位的组织分布、晶粒大小以及组织形态，分析这些试验结果可能对材料造成的影响。1.3.2课题研究的意义251

20、9高强铝合金是一种新型装甲材料，具有比较高的比强度和比刚度以及良好的加工和力学性能，其优点是其在抗弹性能明显提高，在海水及盐雾环境下的抗应力腐蚀性能明显提高，到目前为止是制造轻型装甲战车的比较理想的材料。对国防事业支持。第2章 实验材料、设备及方法2.1 实验材料2.1.1母材 实验材料是Al-Cu，Al-Mn，Al-Zr和Al-Ti中间合金。工业纯Mg、Al配制合金，板厚20mm。表2.1 2519铝合金化学成分(%)元素种类CuMnZr TiMgZnFeSiAl含量0.0580.00280.00210.00060.00220.00200.00150.0006余量2.1.2 焊接材料本实验焊

21、接材料采用直径为1.6mm的进口4047焊丝进行焊接表2.2 焊丝化学成分(%)元素种类CuMnZrTiMgZnFeSiAl含量0.0030.00150.0010.0020.0080.123余量2.2 实验设备2.2.1 焊接设备此次实验用到双丝GMAW焊接方法对2519高强度铝合金进行焊接，焊接时，系统由两个相互通信协调的焊接电源，送丝机构，一只双通道焊枪组成来完成作业。图2.1 双丝GMAW高效焊接系统的焊枪双丝GMAW焊接原理双丝GMAW焊接原理如图2.2所示，两根焊丝通过一个特定设计的焊枪按照一定的角度送入同一个熔池当中，两根焊丝由它们各自的脉冲电压、电源供电，送丝速度、脉冲频率、脉冲

22、时间、基值电流等参数都可独立调节，电弧控制非常灵活。双丝GMAW焊由两根焊丝同一时刻熔化、处于同一个熔池当中，二者互相加热，最大限度的减少了热量的损耗，从而提高了生产效率和熔敷速度。电弧在熔化的电极和工件之间燃烧，电弧和焊接熔池通过供气系统提供稳定的CO2气体保护罩来防止空气进入。 图2.2 双丝GMAW焊接原理图双丝GMAW焊接时前、后丝对焊缝成形有着非常明显并且完全不相同的影响，如图2.3所示，焊接时前丝与焊件垂直且使用较低的电压和较大的电流，形成较大的熔深（S）；后丝与前丝形成一定的夹角，保持相对较小的电流和略高一点的电弧电压，从而达到提高焊缝熔宽（C）的目的。因此焊接时应根据两根焊丝的

23、不同的作用从而选择合适的参数。 图2.3 前后丝对双丝GMAW焊缝成形的影响2.2.2 拉伸性能检测设备焊接接头的拉伸强度试验是检测焊接接头机械力学性能的一个重要试验。此次试样进行力学性能测试时将使用CCS-44100的电子拉伸机进行试验，点焊接头拉伸剪切测试样。同一焊接参数下得拉伸测试数据取三个拉伸试样测试结果得算术平均值。CCS-44100的电子拉伸机参数：型号：CCS-44100力量范围500N-1000KN；误差极限：示值得 0.002以内；实验速度调节范围：5-100mm/min图2.4 CCS-44100的电子拉伸机2.2.3 维氏硬度测试设备材料的硬度是弹性形变的一个重要指标，是

24、机械力学性能的一个比较重要检测步骤。根据测量时采用的不同形状的金刚石压头，硬度可以分为维氏显示硬度努普显示硬度和维氏显示硬度两种。努普显示硬度是用对棱角130°和170°30形状的金刚石四棱锥作压入头；维氏显示硬度使用对棱角130°形状的金刚石四棱锥作压入头。一般采用维氏显示硬度法来进行测量。计算公式：HV=0.0018544（P/d²）公式中HV-维氏硬度，P为载荷，单位N；d为压痕对脚线长度平均值，单位mm。图2.5 维氏硬度检测计2.2.4 光学金相显微观察设备金相实验主要是用来研究分析金属材料的力学性能与内部组织结构成分的联系。一般通过利用光学金

25、相显微镜来观察焊缝组织成分的宏观与微观形象，对其焊缝进行分析，从而来判别材料焊接接头的质量。这里我们用到的是POLYVAR-MET光学金相显微镜。一个完整的金相试验主要包括：取样、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀、检测等。图2.6 光学金相显微镜2.3 实验方法采用平板对接方式，每块试板的尺寸为500mm×120mm×20mm，试件板边开对称双U形坡口，坡口角度为70°，具体形状参数如图2.5所示。在焊第一道焊缝时为防止焊穿，焊缝背面使用与坡口形状一致的紫铜垫板。焊接时选用美国制造的ER2319铝合金焊丝，焊接前应对坡口和焊丝进行清理，除去沾附的杂质和油污。根据焊接层数和电

26、流的不同，共进行了三种工艺试验，分别命名为大电流两道焊（DL）、大电流四道焊（DS）和小电流四道焊（XS）。首先介绍DL和XS工艺试验，表2.3，表2.4分别是DL、XS工艺试验的焊接工艺参数。大电流两道焊（DL）焊接时，正反各焊一道，焊接背面焊道时先进行清除根部，并适当增加焊接电流而降低电压，这样可以进一步增大反面的熔深，减少根部可能出现的缺陷。XS焊接顺序为先焊正面第一道，反面清根后焊第一道，再焊反面第二道，最后再焊正面第二道，这样有利于减少焊接的变形。使用半自动的MIG焊技术，对2519高强度铝合金试样进行焊接对接，用单面焊，在试板上，沿着焊缝的横向面取样，加工成拉伸试样（扎向的），在C

27、CS-44100的电子拉伸机上进行拉伸试验，在HVA-10A维氏硬度计上测它的维氏硬度，从焊缝中心向基材方向，开始逐点测量；使用JSM-5600LV扫描电镜，用它来观察焊接接头的断口，用POLYVAR-MET光学金相显微镜进行观察焊后的各区显微组织。在距离焊缝中心8mm的热影响区内取样并透射电镜样本，在透视镜上观察热影响区和基材的析出相的大小。 图2.7 试板坡口形式（mm）表2.3 DL焊接工艺参数焊接顺序送丝速度V1（m/min）脉冲频率f/HZ脉冲电压U/V脉冲时间t/ms基值电流I/A焊接速度v（mm/min）正面10.07.523020025.026.02.22.0100100415

28、反面10.57.523020024.025.52.22.0100100415表2.4 XS焊接工艺参数焊接顺序送丝速度V1（m/min）脉冲频率f/HZ脉冲电压U/V脉冲时间t/ms基值电流I/A焊接速度v/（mm/min）正面第一道7.87.023023025.526.02.12.1100100513反面第一道7.87.023023025.526.02.12.1100100513反面第二道7.67.023023025.826.52.12.1100100513正面第二道7.67.023023025.826.52.12.1100100660第3章 实验结果与分析3.1 焊接接头焊缝表面和组织分析

29、3.1.1 DL焊缝表面分析图3.1是DL焊缝表面成形情况，从图上可以看出工艺条件下焊缝成形非常良好，图中可以看出，母材和接头处焊缝之间的分界线比较明显，焊接接头的焊缝样貌形成美观，无未融合、气孔、塌陷等表面缺陷的存在。焊缝为均匀重叠的鱼鳞状，焊缝无明显的缺陷。由图3.2焊缝横截面图可知，DL焊缝表面余高很小，甚至有些地方略有凹陷，这样的接头不能够适应对焊缝强度要求较高的装甲车炮塔结构件。图3.1 DL焊缝表面成形 图3.2 DL焊缝截面图3.1.2 XS焊缝表面分析图3.3是XS焊缝表面成形情况，从图中可以看出工艺条件下焊缝成形非常良好，XS焊缝表面会比DL焊缝表面更加细腻一些。从图3.4可

30、以看出XS焊缝表面要比DL焊缝饱满。这样的接头才能够适应对焊缝强度要求比较高的装甲车炮塔结构件。图3.3 XS焊缝表面成形图3.4 XS焊缝表面成形3.1.3 2519铝合金焊接接头显微组织 2519铝合金焊接接头在不同区域的金相显微组织如图3.5。通过图上可见，2519铝合金焊接接头是由以下几个区域组成，焊缝区WZ、热影响区HAZ、熔合区FZ、和基材区BM。2519铝合金的焊接接头焊缝区为树枝状铸态组织（图3.5a）。熔合区靠近焊缝一侧，大多都是等轴晶晶粒，但大小不一样，不是很均匀，并有少量沿别处生长的柱状晶粒（图3.5b）。靠近基材一侧的则与熔合区相反，是热影响区的晶粒变化，其为细小的等轴

31、晶晶粒，晶粒大小均匀，但是也有粗化，越靠近热影响区，粗化程度越大。（图3.5c）。2519铝合金基材组为完全再结晶组织。（图3.5d）图3.5 2519铝合金焊接接头不同区域的显微组织a-WZ;b-WZFZ；c-HAZFZ;d-BM3.1.4 2519铝合金焊缝区组织2519铝合金熔池在冷却过程中富Al的相先从液相中结晶出来，Cu原子大多被排挤到剩余的液相当中。当温度的降低达到共晶线附近时，剩余的液相由于Cu的含量越来越多，达到共晶成分时，开始析出共晶组织（相）。图3.6为DS焊缝区组织，图中A，B两位置处经能谱分析发现，A处Cu的质量分数为24.57%，大致与共晶组织成分相当；B处Cu的质量

32、分数为6.68%，与相的成分比较接近。 图3.6 DS焊缝区组织3.2 2519高强度铝合金焊接接头的硬度分布3.2.1铝合金焊接接头硬度分析2519铝合金板材焊接接头沿着焊缝垂直的方向的硬度分布图，见图3.7。从图上可以看到焊缝区的宽度大约为5mm，焊缝中心区域的硬度最低，最低硬度为HV81，距离焊缝越来越远，硬度越来越大。但是在热影响区，距离焊缝大约6mm的地方，硬度再次降低，进入到软化区，最低硬度为HV98，过后硬度依然逐渐增加，在距离焊缝中心大约15mm的地方，硬度恢复到原始基材的硬度。图3.7 合金焊接接头硬度分布3.2.2 2519铝合金焊缝区硬度分析 图3.8为大电流四道焊规范下

33、焊接接头显微硬度分布，从图中可以看出在整个焊接接头中焊缝区的硬度最低，整个焊缝区硬度差别不大。靠近熔合线的热影响区硬度明显升高，这是热影响区靠近焊缝的部分金属在高温状态下从母材中析出的相的过渡相重新固溶到相当中，而在随后冷却过程中重新弥散析出的结果。这种重新固溶析出的效果随着与焊缝距离的增加而减弱，因此靠近母材的热影响区表现为过时效状态，使得这里发生软化，硬度略有降低。 图3.8 DS焊接接头硬度分布3.3 接头的抗拉伸实验结果及分析由焊接接头拉伸试验结果（表3.1）可以看出，DL和XS焊接接头抗拉强度和伸长率与母材相比都明显降低，其中XS接头抗拉强度仅为279.2MPa，尽管DL接头的抗拉强

34、度比XS接头高，并且高出10.1MPa，但仍不足母材的60%，而是59.6%。对两种接头进行X射线探伤发现，XS焊缝区存在相对较多的气孔，这是由于XS焊接时每一道热输入量较小，焊接速度比较快，熔池存在的时间短，焊缝结晶时形成的气孔不能充分溢出熔池表面所致。正是这些气孔的存在使得接头的有效承载面积降低，导致抗拉强度和伸长率同时降低。表3.1 DL和XS焊接接头拉伸试验结果试样序号抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rel/MPa断后伸长率（%）母材（轧制方向）484.7442.218.4DL289.3156.85.6XS279.2173.64.8图3.9 母材拉伸断面显微图进行拉伸试验后发现所有的试件断

35、裂均发生在焊接区。母材的抗拉强度为484.7MPa，而焊接接头抗拉强度DL为289.3MPa，XS为279.2MPa。抗拉强度仅达到母材的59.7%和57.6%。之所以出现这种情况，主要是因为操作人员的操作问题。图3.9为2519铝合金母材拉伸断面显微镜下的图片，母材断裂的断裂口塑性变形，断裂特性，因为有更多的撕裂纤维和撕裂的步骤。 3.4 焊接接头冲击试验结果及分析从表3.2冲击试验结果可以看出，DL焊缝金属的冲击韧度与母材相比显著降低，不足母材的54%，而XS焊缝冲击韧度值为16.91J/cm²，比DL焊缝高37.2%。分析原因认为是XS焊时每一道所采用的热输入量比较低，熔敷金属

36、高温停留时间短，冷却速度更快，焊缝晶粒相对较小，从而导致其冲击韧度值较高。表3.2 DL和XS焊接接头冲击试验结果试样序号最大载荷P/kN冲击吸收功Akv/J冲击韧度kv/（Jcm²）母材（轧制方向24.0925.4331.79DL5.319.8512.32XS5.4313.5316.91第4章 结论 在本文中，以2519铝合金为研究对象，采用双丝GMAW焊接，所得焊件接头进行组织及力学性能进行检测，根据实验结果得到以下结论： （1）2519高强度铝合金在采用4047焊丝进行的MIG气体保护焊焊接情况下，可以得到成形优美、无明显缺陷的优良焊缝。由于焊接热循环作用，所得到得焊接接头的焊接区有细小的等轴晶组成