焊接工艺对铝合金焊接性能的影响

焊接工艺对铝合金焊接性能的影响摘要：近年来，防锈铝由于其优异的性能，已经被广泛地应用于航天、航空、航海、轨道交通、压力容器等多个领域。5A06铝合金为典型的A1-Mg系防锈铝，具有强度较高、抗腐蚀性稳定和焊接性能良好等优点。但铝及其合金具有导热性能强、线膨胀系数大、熔点低及高温强度小等特点，使得该类合金的焊接难度较大。国内相关研究者对铝合金的焊接方法及焊接性能等开展了大量的分析研究。经调研发现，铝及其合金氩弧焊多采用衬底结构或反面封底焊接的方法，以确保焊缝背面成型良好。关键词：铝合金；焊接工艺；焊接性能；力学性能；显微组织引言铝合金材料密度小、耐腐蚀、容易加工，且强度比较高，因此，铝合金材料在农业、航空、汽车等领域应用十分广泛。随着社会的高速发展，铝合金应用越来越广泛，铝合金材料在越来越多的领域中得到推广。架空输电线路一直使用的是铁塔，铝合金材料与钢材料相比更耐腐蚀，且在相同条件下与Q420钢相比，铝合金可减轻重量66%，而铝合金的成本相比于Q420更低，这促使铝合金塔的研究被推上了研究日程。在铝合金塔设计过程中，铝合金的选材、材料结构形式和截面型式的确定、焊接方法、焊接工艺和焊丝的选择都显得尤为重要。1实验材料和方法试验所用焊接材料母材为5083-H116铝合金和6082-T6铝合金（化学成分见表1），厚度8mm，两种合金分别为同一板材下料。焊丝所用材料为OKAutrod5183和OKAutrod5356（瑞典伊萨ESAB），直径为1.2mm的铝合金焊丝。焊前对铝合金表面进行抛光处理，以去除表面氧化层。焊接时分别对两种合金以对接接头形式（如图1）进行横焊和仰焊，焊道顺序如图2所示。由于铝合金在MIG焊时热输入较TIG焊时大，金属熔化量大，熔敷金属流动性好，且铝合金散热快，易引起熔池塌陷，坡口底部焊缝应在加装表面加出半圆弧槽的加强板。焊接接头的形式见表2。2结果与分析2.1接头焊缝成形在TIG电弧加热作用下，由于局部焊接温度高于铝合金母材和焊丝的熔点，焊丝熔化并填充焊缝，在铝母材一侧形成熔焊接头。此外，局部焊接温度低于钢母材熔点，配合钎剂的化学去膜作用，熔融焊缝金属与钢基体发生钎焊反应形成钎焊接头，并在钢基体生成一层界面反应产物。2.2显微组织6号接头的显微组织如图4所示。母材为轧制态带状组织。热影响区仅受热循环作用，其带状组织较母材略有粗化。热机影响区为被拉长的回复晶粒。热机影响区受搅拌力和焊接热循环的双重作用，但该区域距离搅拌针较远，到的搅拌作用很小，因此组织仅发生动态回复，带状组织消失，并在搅拌力作用下回复晶粒被拉长。焊核区晶粒细小，组织均匀，没有明显的方向性。焊核区位于接头中心，受到强烈的搅拌作用及轴肩与母材的摩擦作用而产生大量的热量，在温度较高的热循环作用下，周围金属发生塑性流动，且焊缝温度达到再结晶温度，同时位错密度不断增加，当达到临界形核密度时，金属发生动态再结晶现象;在搅拌力的作用下，晶粒来不及长大而被打碎成细小的等轴晶。除9号接头外，其他接头的组织与6号接头相似。9号接头热机影响区和焊缝区的组织较粗大，如图5所示。此时焊接热输入较大，使得焊核区温度过高，从而导致晶核过热长大，同时冷却过程中散热缓慢，促使晶粒进一步长大，因此9号接头的组织较粗大。2.3铝/钢焊接接头的力学性能在送丝速度从1150mm/min增加到1320mm/min的过程中，强度曲线呈陡增然后降低的趋势。在送丝速度为1210mm/min的条件下，获得最优接头抗拉强度的平均值为170.6MPa。在送丝速度为1150mm/min的条件下，接头的平均抗拉强度最低，为72MPa。在送丝速度为1320mm/min的条件下，接头的平均抗拉强度为92.6MPa。主要原因是：随着焊接送丝速度增加，焊缝中气孔数量先减少、后增加，焊缝金属与钢基体熔覆率先增加、后减少，界面IMC层厚度持续降低，接头抗拉强度受三者的共同影响，最终测得抗拉强度值。为了进一步探究接头力学性能对接头断裂行为的影响，采用扫描电镜观察在最优送丝速度为1210mm/min的条件下的接头断口形貌。可以发现，断口形貌中存在大量韧窝特征，说明接头拥有较强的抗裂能力和一定的塑韧性。尽管如此，也存在层状撕裂的特征，使接头强度弱化，最终造成以韧性断裂为主的混合型断裂模式。2.4维氏硬度测试焊接接头的拉伸强度很大程度上与其微观硬度分布密切相关。对不同焊接试样的样品进行了显微硬度检测，每个样品选取了17个检测点，所取点位置对称分布在焊缝两侧。不同工艺的维氏硬度值在母材上的变化无规律，但在焊缝处仰焊略高于横焊时的硬度，且基本上以焊缝为基准对称。焊缝区、热影响区硬度值与母材相比，都有很大程度的下降，这与焊接接头拉伸强度低于母材的规律是一致的。各个工艺下不同焊接材料的维氏硬度对比，可以看出Al003和Al006的维氏硬度最低，即同种合金的焊接接头硬度比较高。而对于同种合金的焊接接头的形式来说，6082-T6铝合金的焊接接头的硬度较好。2.5拉伸性能可以看出，当搅拌针旋转速度固定在800r/min、焊接速度在200～350mm/min时，接头的抗拉强度先减小后增大；当焊接速度为350mm/min时，接头的抗拉强度最高。当焊接速度较低时，搅拌摩擦作用增强，产热功率较大，焊接热输入线能量增大，搅拌头使金属产生充分的塑性流动，焊缝金属表面成形良好；当焊接速度增加到250、300mm/min时，焊接热输入变小，焊接温度降低，焊接过程中塑性变形产生的“热效应”不足以使焊缝金属充分流动，从而使焊缝的力学性能降低，焊缝表面形貌。当焊接速度为350mm/min时，搅拌头摩擦产热进一步降低，焊接温度也随之进一步降低，但是随着焊接速度的增加塑性变形产生的热量增高。不同焊接速度下的抗拉强度变化曲线，从中可以看到随着焊接速度的增加力学性能出现先下降后增大的现象。2.6搅拌头转速对金属流量的影响在ＦＳＷ过程中，搅拌头的摩擦是产生热量的主要方式，因此搅拌头的转速对焊接过程中产生的摩擦热有重要影响。当搅拌头的转速高时，摩擦热的产生就大，从而在肩部下方的工件材料的温度太高，这可能导致焊道粗糙或其他缺陷。当搅拌头的转速相对较低时，摩擦热产生较小，摩擦区域中的工件材料温度较低，并且不能形成塑性流体层，导致在模具中形成槽状缺陷，焊缝根本无法实现焊接。因此，选择合适的搅拌头速度对于焊缝的形成极为重要。在仿真过程中，通过对焊接参数的不断修改，找到了３组具有比较规律的模型。焊接速度为１ｍｍ·ｓ－１，转速分别为４０π、３０π和２０πｒａｄ·ｓ－１模拟旋转。如果焊接过程中的产热适中，工件的金属流动会很好，搅拌头推进留下的孔洞可以及时补充，最终焊缝表面会比较平整，没有大的缺陷。2.7显微硬度焊接热输入特征值为0．13、0．4、1．33mm/r时，可见从焊缝中心向母材两侧硬度先降低后略微升高，呈近似“W”形分布;焊核区的硬度最高，这是焊核区在搅拌针强烈的机械搅拌作用下发生完全动态再结晶，晶粒细化所致;热影响区的硬度最低，母材的硬度稍高于热影响区，这是热影响区仅受到热循环作用，晶粒发生一定程度的粗化所致。当焊接热输入特征值为0．4mm/r，即搅拌头转速为250r/min、焊接速度为100mm/min时，焊核区的硬度较高。当搅拌头转速较低、焊接速度较高时，材料塑性变形程度较小，再结晶不充分;而当搅拌头转速较高、焊接速度较低时，焊接热输入较高，这都将导致焊核区晶粒粗大，硬度降低。2.8电脉冲固溶处理过程中试样温度的变化电脉冲固溶处理过程中有效电流密度对铝合金试样温度变化的影响。可以看出，随着有效电流密度的增加，试样不同位置的温度逐渐增加，当有效电流密度为135A/mm2时，最高温度为430℃。对于同一电参数而言，试样中心点温度最高，这可能是因为焊核区经历完全动态再结晶，细化了晶粒，导致试样中心处电阻大于两侧母材区域。此外，对于电脉冲固溶处理工艺而言，试样能够在极短的时间（1min之内）达到较高的温度，相比炉式高温固溶处理，电脉冲热处理能够显著提高固溶处理效率。3结论（1）同一铝合金焊接材料分别采用横焊和仰焊，在拉伸性能上几乎没有差别，但采用仰焊的焊接接头的硬度较高，焊接质量也较好。（2）不同焊接材料采用同一工艺，6082铝合金在拉伸性能上略高于其他材料，且在硬度上也较高。（3）从微观组织上可知，采用仰焊的接头的组织中析出更多的不连续晶界析出物，提高了接头的性能。6082铝合金的焊接接头的性能比5083铝合金的性能好，且同一种合金焊接的接头比两个不同合金焊接的接头性能更好。结束语1）采用ER2319焊丝作为填充焊丝金属，成功获得了5052铝和304不锈钢TIG电弧熔钎焊接头。通过钎剂的去膜作用，液态金属能够在钢基体表面润湿铺展，发生冶金反应，形成钎焊接头，在铝合金一侧形成熔焊接头。2）随着焊接送丝速度的增加，焊缝区域的气孔数量呈现先减后增的趋势，焊缝上部与钢基体熔覆率先增加、后减少，气孔越少，熔覆率越高，接头整体抗拉强度增加。3）由于送丝速度的不同，界面IMC层的厚度不同，IMC层厚度在6~9μm范围内变化，满足界面IMC层厚度要求（＜10μm），随着送丝速度增加，单位焊丝热输入降低，界面IMC层厚度逐渐下降，提高了接头整体的强度。4）在送丝速度为1210mm/min的条件下，对钢基体的热输入减少，界面处IMC层厚度较低，有效控制了界面IMC层的生长；焊缝上表面及中心孔洞减少，增强接头的平均抗拉强度。在拉伸载荷下，获得平均抗拉强度值为170.6MPa（约为铝合金母材强度的81.2%），接头断裂位置出现在界面处，是以韧性断裂为主的混合型断裂参考文献[1]陈友兴.浅谈新形势下铝合金焊接质量体系的建立[J].世界有色金属,2019(22):3-4.[2]方宇颀,许鸿吉,金鹏,秦志恒.6082-T6厚板铝合金FSW焊接接头组织与力学性能研究[J].焊接技术,2019,48(12):23-25+6.[3]温林秀,赵运强,董春林,王春桂,易耀勇.1561铝合金搅拌摩擦焊接过程压力特征及接头组织性能分析[J].焊接学报,2019,40(12):91-96+165.[4]周平,戴启雷,张元杰.6082铝合金搅拌摩擦焊接头根部缺陷的微观特征[J].机械工程材料,2019,43(12