軌道車輛用鋁合金自動(dòng)焊搭接接頭裂紋研究

劉春寧，唐衡郴，王陸釗，尹德猛，田忠利，褚宏宇

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司 制造技術(shù)中心，河北 唐山 063035)

軌道車輛用鋁合金自動(dòng)焊搭接接頭裂紋研究

劉春寧，唐衡郴，王陸釗，尹德猛，田忠利，褚宏宇

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司 制造技術(shù)中心，河北 唐山 063035)

采用CLOOS焊接專機(jī)對(duì)6005A鋁合金型材進(jìn)行單絲脈沖MIG搭接焊試驗(yàn)。針對(duì)焊后普遍出現(xiàn)的焊趾裂紋問題，從接頭組織、焊接熱輸入、焊接應(yīng)力等方面進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合Sysweld軟件對(duì)焊接熱源以及焊接過程的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬。試驗(yàn)結(jié)合模擬結(jié)果表明：6005A鋁合金搭接接頭焊接時(shí)，焊接熱輸入大和焊槍角度不合理導(dǎo)致接頭局部熱量集中是焊接裂紋產(chǎn)生的根本原因，焊前裝配間隙導(dǎo)致應(yīng)力集中是誘發(fā)焊接裂紋擴(kuò)展延伸的重要因素，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、調(diào)整焊槍角度、提高裝配質(zhì)量可有效控制焊接裂紋的產(chǎn)生，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

焊接裂紋；熱輸入；應(yīng)力；數(shù)值模擬

0 前言

鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、比強(qiáng)度高、加工與塑性好等特點(diǎn)，尤其是中強(qiáng)鋁合金在軌道車輛鋁合金車體生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用[1]。鋁合金具有熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容大、線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，焊接時(shí)有一定的裂紋敏感性，同時(shí)焊接過程中接頭區(qū)域組織變化導(dǎo)致工件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)生改變，為裂紋擴(kuò)展延伸提供了條件。在進(jìn)行生產(chǎn)工藝試驗(yàn)時(shí)，6005A鋁合金型材搭接接頭角焊縫和熱影響區(qū)普遍出現(xiàn)裂紋，成為影響焊接質(zhì)量和制約焊接生產(chǎn)的重要問題。本研究結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，采用Sysweld軟件對(duì)焊接熱量和接頭應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，分析鋁合金焊接接頭裂紋的形成機(jī)理和產(chǎn)生原因，并提出解決鋁合金焊接裂紋的工藝措施。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用EN-AW 6005A鋁合金大尺寸空心型材，供貨狀態(tài)為T6狀態(tài)，即固溶處理之后進(jìn)行人工時(shí)效，屬于熱處理強(qiáng)化鋁合金。型材厚度80 mm，壁厚8 mm，設(shè)計(jì)采用a5角焊縫的搭接接頭。焊前用D40清洗劑對(duì)待焊區(qū)域進(jìn)行擦拭，然后用風(fēng)動(dòng)打磨工具清理氧化皮，最后用D40清洗劑對(duì)待焊區(qū)域再次進(jìn)行清理，保證焊前母材清潔無氧化。試驗(yàn)選用規(guī)格為φ 1.6 mm的 ER5087(AlMg4.5MnZr)盤狀焊絲，母材和焊絲化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鋁合金和焊絲的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用CLOOS焊接專機(jī)進(jìn)行單絲MIG焊接，純?chǔ)?Ar)99.99%作為保護(hù)氣體，氣體流量25L／min。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 自動(dòng)焊搭接工藝參數(shù)

焊縫冷卻后，在垂直工件表面沿焊縫中心方向?qū)⒑附咏宇^剖開切取金相試樣，經(jīng)過打磨、拋光后，用φ(HF)1%+φ(HCl)1.5%+φ(HNO3)2.5%的混合酸Keller溶液腐蝕微觀金相試樣，經(jīng)超聲波清洗之后，采用Zeiss Mxiovert40MAT型金相顯微鏡觀察組織形貌。

采用Sysweld軟件對(duì)焊接溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，焊接熱源采用高斯雙橢球模型。使用visual mesh軟件繪制a5搭接接頭三維網(wǎng)格，運(yùn)用Sysweld軟件根據(jù)焊接工藝參數(shù)下焊縫的熔寬、熔深確定雙橢球熱源模型的各參數(shù)并進(jìn)行多次校核。熱源校核結(jié)果如圖1所示，焊縫區(qū)溫度在670℃以上，最高溫度達(dá)到786℃，高于鋁合金的熔點(diǎn)溫度，符合試驗(yàn)情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了分析裂紋分布狀態(tài)，對(duì)焊縫表面進(jìn)行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)在焊接接頭熱影響區(qū)及附近普遍出現(xiàn)了明顯的線性顯示，確定為裂紋。鋁合金焊接時(shí)，結(jié)晶裂紋和液化裂紋是最常見的裂紋形式。結(jié)晶裂紋一般出現(xiàn)在焊縫區(qū)，液化裂紋一般出現(xiàn)在熱影響區(qū)[2]。如圖2a所示，焊縫附近出現(xiàn)了大量裂紋，部分粗大的裂紋用肉眼清晰可見，從右側(cè)滲透檢測的線性顯示進(jìn)行分析可知，焊接裂紋基本垂直于焊縫，部分焊縫與熔合線相連并平行，貫穿于母材、焊接熱影響區(qū)和局部焊縫區(qū)域，但焊接熱影響區(qū)內(nèi)的裂紋最寬、數(shù)量最多，且裂紋幾乎分布于整道焊縫的下沿，用風(fēng)動(dòng)銑刀將右側(cè)的缺陷往深處打磨去除2.0 mm，發(fā)現(xiàn)接頭內(nèi)部依然存在焊接裂紋的線性顯示，說明裂紋已擴(kuò)展延伸至接頭內(nèi)部，但根據(jù)線性顯示的跡象分析可知內(nèi)部為細(xì)微裂紋。

圖1 焊縫熱源模擬

通常產(chǎn)生焊接裂紋的原因有母材成分、焊接熱輸入、焊接應(yīng)力和約束條件等。試驗(yàn)用母材經(jīng)國家有色金屬質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢驗(yàn)，化學(xué)成分符合EN573-3標(biāo)準(zhǔn)，力學(xué)性能和宏觀金相等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，可以排除母材本身原因。

2.1 焊接熱輸入

通過對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行微觀金相試驗(yàn)，進(jìn)一步確定焊接裂紋的種類和形成原因，如圖2b所示。粗大的裂紋分布在熱影響區(qū)和母材上互相貫穿連接，熱影響區(qū)內(nèi)的裂紋存在粗化和擴(kuò)展現(xiàn)象，同時(shí)裂紋從熱影響區(qū)延伸到了焊縫中，并且在焊縫不同地方存在少量細(xì)小的微觀裂紋。

試驗(yàn)用6005A-T6鋁合金共晶相Al-Mg2Si中的Mg2Si為主要的強(qiáng)化相，與其他金屬間化合物一樣，Mg2Si也是一種存在嚴(yán)重脆性問題的脆化相[3]。6005A鋁合金焊接時(shí)，由于熱輸入過大導(dǎo)致熱影響區(qū)過時(shí)效而發(fā)生軟化，從而為裂紋的延伸創(chuàng)造了條件。在晶粒粗化的焊接熱影響區(qū)，低熔點(diǎn)共晶相Al-Mg2Si以薄膜狀分布在晶粒界面上[4]，在焊接應(yīng)力的誘導(dǎo)下產(chǎn)生裂紋，并伴隨裂紋往焊縫及附近母材上擴(kuò)展，成為液化裂紋。

焊接熱輸入是影響焊接接頭組織晶粒大小、強(qiáng)度和韌性的重要因素，熱輸入過大會(huì)導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)軟化、晶粒粗化是焊接裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展延伸的根本原因。焊接過程中上下板熱輸入的分布情況對(duì)焊縫的組織性能也有重要影響。

圖2 焊接裂紋

圖3 焊槍角度影響熱量分布

采用Sysweld軟件對(duì)焊接熱量分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)焊接過程中焊槍角度和指向?qū)缚p的熱量分布有重要影響，如圖3所示。

試驗(yàn)中的焊槍角度是指焊槍中心線與搭接下板水平方向所形成的夾角α，不同的焊槍角度影響焊接時(shí)電弧的指向和分散范圍，從而導(dǎo)致焊接熱量的分布差異。圖3b、圖3c為焊槍指向偏上(α＝50°)時(shí)焊接熱源分布和等效應(yīng)力圖，可見接頭上板的熱量較大，局部模擬溫度可達(dá)750℃以上，下板熱量較少，焊縫下焊趾處溫度650℃～670℃，容易造成下沿未熔；圖3d、3e為焊槍指向偏下(α＝30°)時(shí)焊接熱源分布和等效應(yīng)力圖，自動(dòng)焊搭接接頭下板的熱量集中，因焊接時(shí)電弧和熔池受重力的影響，接頭焊趾處溫度偏高，表現(xiàn)為熱應(yīng)力相對(duì)集中，如圖3e所示。

由此可知，焊接熱輸入大以及焊槍偏角度不合理使得焊接熱量分布不均勻，導(dǎo)致接頭局部熱量集中溫度偏高，表現(xiàn)為下板的焊接熱影響區(qū)及附近熱應(yīng)力高度集中，成為鋁合金自動(dòng)焊搭接接頭焊趾處產(chǎn)生裂紋的根本原因。

2.2 裝配間隙

焊接應(yīng)力和分布情況對(duì)焊接質(zhì)量有重要影響，不同的結(jié)構(gòu)和接頭形式其應(yīng)力狀態(tài)存在差別。本試驗(yàn)為鋁合金自動(dòng)焊搭接接頭的a5角焊縫，采用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)裝配間隙對(duì)結(jié)構(gòu)焊后應(yīng)力影響較大，尤其鋁合金焊接時(shí)接頭中存在薄膜態(tài)的低熔共晶組織和脆化相，應(yīng)力可能誘使裂紋發(fā)生并擴(kuò)展，因此裝配間隙產(chǎn)生的焊接應(yīng)力是裂紋形成的外在因素。

采用Sysweld軟件對(duì)不同裝配間隙的焊接應(yīng)力分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，圖4a、圖4b分別為無間隙和1 mm裝配間隙時(shí)鋁合金自動(dòng)焊搭接接頭的應(yīng)力場。可見焊縫下沿的熱影響區(qū)附近是應(yīng)力集中部位，這是因?yàn)楹附訒r(shí)電弧和熔池受重力影響使得下板熱量比上板多而導(dǎo)致焊縫冷卻收縮時(shí)焊縫下沿產(chǎn)生的拉應(yīng)力大。通過圖4可以看出，裝配間隙1 mm時(shí)焊后下板焊接熱影響區(qū)的等效應(yīng)力主要為150 MPa，比無間隙時(shí)等效應(yīng)力120 MPa要大，并在焊前有間隙接頭的焊趾處出現(xiàn)了焊接應(yīng)力集中且最大應(yīng)力達(dá)173.99 MPa，給裂紋的產(chǎn)生埋下了隱患。在焊接接頭冷卻及組織結(jié)晶的過程中，集中的應(yīng)力達(dá)到低熔共晶組織析出處晶界的承受能力就會(huì)誘使晶界開裂，并伴隨粗大脆化相的斷裂等，使應(yīng)力集中的下板熱影響區(qū)成為裂紋源。

2.3 工藝優(yōu)化

工藝試驗(yàn)中，焊接裂紋主要出現(xiàn)在搭接接頭焊縫下沿的焊趾處，焊縫滲透檢測時(shí)大面積出現(xiàn)線性顯示，因此必須優(yōu)化焊接工藝，以控制接頭裂紋，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

根據(jù)熱量對(duì)焊接裂紋形成的重要影響，對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以降低接頭焊接熱輸入，如表3所示。根據(jù)EN1011-1標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算表2中原參數(shù)的Q1(單位：kJ／mm)和表3中優(yōu)化后的焊接熱輸入Q2(單位：kJ／mm)

優(yōu)化前后焊接熱輸入差(單位：kJ／mm)為

式中 K為因焊接熱損耗而給定的焊接有效熱輸入因數(shù)，MIG焊接時(shí)取0.8。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后自動(dòng)焊搭接的熱輸入量減少了1.497 kJ／mm，與原工藝相比下降了近20%，減少了接頭組織晶粒粗化的幾率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生裂紋的試件有所減少，但仍不能滿足批量生產(chǎn)的要求。

圖4 裝配間隙影響應(yīng)力分布

表3 優(yōu)化后的自動(dòng)焊搭接工藝參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬中焊槍角度影響焊接過程中熱量分布不均勻?qū)е孪掳鍩嵊绊憛^(qū)熱應(yīng)力集中的情況，對(duì)焊槍角度進(jìn)行了調(diào)整。焊接工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將焊槍角度從原來的30°～50°調(diào)整到38°～45°，可充分減少鋁合金自動(dòng)焊搭接裂紋的產(chǎn)生，并且能有效保證下板充分焊透，從而提高了接頭焊接質(zhì)量。

焊前裝配間隙對(duì)焊接應(yīng)力有重要影響。采用合理的裝配工藝，將搭接接頭的下板擺放平整后與上板緊貼，采用從中間向兩邊依次壓卡的次序可降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力，盡量做到兩板焊前嚴(yán)絲合縫達(dá)到裝配零間隙，以降低接頭應(yīng)力，從而避免下板熱影響區(qū)焊后應(yīng)力高度集中。

在保證焊縫質(zhì)量的前提下盡量使用較小的規(guī)范參數(shù)可降低焊接熱輸入；正確調(diào)整焊槍角度，保證下板充分焊透時(shí)焊槍略朝上板偏置可避免焊趾處熱量集中；嚴(yán)格控制焊前裝配間隙，提高裝配質(zhì)量，減少焊接應(yīng)力。

工藝優(yōu)化后鋁合金搭接接頭焊縫和熱影響區(qū)微觀組織如圖5所示，沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂紋或晶界開裂現(xiàn)象。焊縫組織為焊縫中心區(qū)域均勻細(xì)小的等軸晶，主要由α-Al固溶體和α-Al+β-Al8Mg5共晶相組成，具有良好的強(qiáng)度、韌性和抗裂性能。焊接熱影響區(qū)中，熔合線附近沿散熱方向生長著柱狀樹枝晶，主要由較母材組織粗大的Mg2Si顆粒組成，由于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大，接頭冷卻速度快組織生長較慢，熱影響區(qū)較窄且Mg2Si顆粒長大趨勢不明顯，熱影響區(qū)的抗液化裂紋性能大大提高。綜上所述，工藝優(yōu)化后的鋁合金自動(dòng)焊搭接接頭抗裂性能較好，可有效保證焊縫質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1)熱輸入大和焊槍角度不合理導(dǎo)致局部熱量集中，使得焊接熱影響區(qū)溫度過高是接頭焊趾處形成液化裂紋的根本原因。

(2)裝配間隙導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)應(yīng)力集中是裂紋發(fā)展延伸的誘導(dǎo)因素。

(3)通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，調(diào)整焊槍角度，提高焊前裝配質(zhì)量，可有效解決搭接焊縫焊接裂紋問題，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]姜 瀾，王炎金，王宇新，等.高速列車用6005A鋁合金焊接接頭組織與性能研究[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2002，1(4)： 302-306.

[2]唐秀梅，張宏偉，楊金鳳.淺析7A10鋁合金焊接裂紋的成因及預(yù)防措施[J].輕合金加工技術(shù)，2003，31(7)：40-41.

[3] 熊 偉，秦曉英，王 莉.金屬間化合物Mg2Si的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005，19(6)：4-7.

[4]劉仁培，董祖玨，潘永明.6082和ZL101鋁合金低熔共晶測試與分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2005，26(10)：27-31.

Study on welding cracks in automatic lap joint of aluminum alloy on railway vehicles

LIU Chun-ning，TANG Heng-chen，WANG Lu-zhao，YIN De-meng，TIAN Zhong-li，CHU Hong-yu
(Manufacturing Technical Center，Tangshan Railway Vehicle Co.Ltd.，Tangshan 063035，China)

Single-wire pulsed MIG welding test was used on 6005A Aluminum alloy lap joints with CLOOS special welding robot.The microstructure，welding heat inputting，stress were comprehensively analyzed for post-welding cracks universal occurred on the weld toe.Sysweld software was used to simulating welding heat，welding temperature field and stress field.Results of test and simulation showed that，welding heat inputting excessive and welding angle inconsequence，which induced part heat concentrated was the essential causes of cracks on 6005A Aluminum alloy lap joints.Assembly gap cause stress concentration was an important induced factor in welding cracks expanding and extension.Welding cracks were effectively controlled through optimizing welding parameter，adjusting welding angle and enhancing assembly effect，which assure the quality of production.

welding cracks；heat inputting；stress；numerical simulation

TG457.14

B

1001-2303(2011)11-0039-05

2011-10-18

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009BAG12A04-B02)

劉春寧(1973—)，女，河北南宮人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事高速動(dòng)車組鋁合金制造技術(shù)研究及管理工作。

圖5 焊縫和熱影響區(qū)微觀組織