焊接電流對(duì)高強(qiáng)鋁合金電阻點(diǎn)焊熱裂紋的影響*

張 濤，張 勇，劉宗芳，謝紅霞，張乾寧，石亞宏

（1.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072；3.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安710068）

焊接裂紋是焊接結(jié)構(gòu)中最為嚴(yán)重的缺陷。焊接熱裂紋的形成與合金晶界上的元素偏析或低熔點(diǎn)物質(zhì)的存在、凝固溫度區(qū)間、熱膨脹系數(shù)等有關(guān)。根據(jù)所焊金屬材料的不同，產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、溫度區(qū)間和主要原因也各有不同。熱裂紋按形態(tài)可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋3類[1-5]。

目前國內(nèi)外關(guān)于鋁合金點(diǎn)焊熱裂紋的研究比較少，以往的研究工作主要涉及裂紋的形成機(jī)理以及減少裂紋形成的措施，而沒有系統(tǒng)深入研究焊接參數(shù)對(duì)裂紋的影響機(jī)制及規(guī)律[6-12]。2A12鋁合金是一種Al-Cu-Mg系共晶型的高強(qiáng)鋁合金，其性能比較優(yōu)越，密度小，比強(qiáng)度和比剛度高，是航空航天工業(yè)廣泛應(yīng)用的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料[13]。然而，2A12高強(qiáng)鋁合金塑性區(qū)窄、高溫塑性差，點(diǎn)焊熔核凝固時(shí)常伴隨著很大的收縮應(yīng)力，容易出現(xiàn)焊接裂紋缺陷。本研究擬通過2A12高強(qiáng)鋁合金電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，了解焊接電流對(duì)焊接裂紋形成的影響機(jī)制及規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

使用100 mm×20 mm×1 mm的2A12-T4高強(qiáng)鋁合金作為試驗(yàn)材料，在DZ-3×63三相次級(jí)整流點(diǎn)焊機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)電極為CdCu球面電極，φ20 mm，球面半徑50 mm；試驗(yàn)前采用酸洗工藝清理試件表面的臟物和氧化膜，并在12 h之內(nèi)完成試驗(yàn)。焊后沿熔核中心方向切開制備成金相試樣。腐蝕劑采用1.5%HCl+1%HF+2.5%HNO3的水溶液，在光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下觀察熔核組織。試驗(yàn)過程中分別選取焊接電流為設(shè)備最大電流的48%，50%，52%和54%，其他參數(shù)不變。表1為2A12-T4高強(qiáng)鋁合金的主要化學(xué)成分，表2為試驗(yàn)焊接參數(shù)。

表1 2A12-T4高強(qiáng)鋁合金的主要化學(xué)成分 %

表2 試驗(yàn)焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 結(jié)晶裂紋

具有較大凝固區(qū)間寬度的2A12-T4高強(qiáng)鋁合金的電阻點(diǎn)焊熔核屬于 “柱狀晶+等軸晶”組織，它由與熔合線基本垂直的粗大柱狀晶和熔核中心部位的等軸晶所組成，如圖1所示。

圖1 點(diǎn)焊熔核的金相照片 （伊100）

熔核組織中這種由柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變是由于凝固條件改變所致。減弱或切斷焊接電流后，由于鋁合金良好的導(dǎo)熱性和電極的冷卻作用，熔核周邊熔合線附近區(qū)域的液態(tài)金屬溫度迅速下降首先凝固，促使柱狀晶生長。隨著凝固過程的進(jìn)行，熔核中心部溫度梯度顯著變小(平均冷卻速度減小一個(gè)數(shù)量級(jí))、溶質(zhì)濃度增高和嚴(yán)重的區(qū)域偏析等均使這一區(qū)域過冷度加大，獲得了等軸晶組織[14]。

圖2是焊接電流分別為48%Imax，50%Imax，52%Imax和54%Imax時(shí)熔核局部光鏡照片。可以看出，隨著焊接電流增大，點(diǎn)焊熔核中的裂紋從無到有，從小到大，在焊接電流為54%Imax時(shí)出現(xiàn)了貫穿整個(gè)熔核的結(jié)晶裂紋。

當(dāng)焊接電流為48%Imax和50%Imax時(shí)，金屬熔化量小，在鍛壓力作用下凝固收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力還不足以導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。隨著焊接電流的增大，當(dāng)焊接電流超過50%Imax時(shí)，金屬熔化量增加；截?cái)嚯娏骱笕酆死鋮s時(shí)的凝固收縮應(yīng)力增大，鍛壓力的作用不足以抵消凝固收縮時(shí)的應(yīng)力，位于晶界間的低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)液態(tài)薄膜受應(yīng)力開裂產(chǎn)生裂紋。另外，隨焊接電流的增大，熱輸入量增大，熔核金屬凝固時(shí)的溫度梯度也增大，柱狀晶晶粒增粗，所占的區(qū)域比例也變大，等軸晶占的區(qū)域比例變小，晶粒的塑性和韌性下降。晶粒越大，結(jié)晶的方向性越強(qiáng)，越容易促使雜質(zhì)偏聚，在結(jié)晶后期就越容易形成連續(xù)的液態(tài)共晶薄膜。而晶界少，晶界液態(tài)薄膜長，抗拉能力差。這些都大大增加了結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的可能性。

圖2 不同焊接電流時(shí)熔核局部光鏡照片

圖3所示為結(jié)晶裂紋在掃描電鏡下的組織形貌?？梢钥闯?，結(jié)晶裂紋方向幾乎垂直于焊件表面，裂紋產(chǎn)生于晶粒之間并且沿晶界不斷增殖。鋁合金焊接時(shí)結(jié)晶過程分為液相 （主要部分）-固相階段、固相 （主要部分）-液相階段和完全凝固3個(gè)階段。在固相 （主要部分）-液相階段，由于晶粒的長大，其晶界交織在一起，而在這些晶界接觸的部位存在著尚未凝固的液態(tài)金屬，正是這些殘留的液態(tài)金屬由于流動(dòng)困難成了應(yīng)力薄弱地帶，從而冷卻結(jié)晶時(shí)受到應(yīng)力的作用開裂產(chǎn)生裂紋[15]。

圖3 結(jié)晶裂紋形貌

2.2 液化裂紋

液化裂紋是指在熔核熱影響區(qū)中的組織因受熱作用而在液化的晶界上形成的焊接裂紋，在本試驗(yàn)中焊接電流為54%Imax時(shí)在掃描電鏡下觀察到了液化裂紋，如圖4所示。

圖4 熱影響區(qū)中的液化裂紋形貌

液化裂紋形成機(jī)理本質(zhì)上與結(jié)晶裂紋相同，都是由于晶界存在脆弱低熔點(diǎn)相或共晶，在高溫下承受不了力的作用而開裂。其區(qū)別僅在于結(jié)晶裂紋是熔核液態(tài)金屬在結(jié)晶過程中形成，而液化裂紋則是固態(tài)母材在點(diǎn)焊熱循環(huán)作用下使晶間層重新熔化后而形成。本試驗(yàn)中，在熔核周圍的熱影響區(qū)中，其晶界處存在著低熔點(diǎn)共晶，在點(diǎn)焊熱循環(huán)條件下，這些晶間物質(zhì)可能熔化，受到足夠凝固收縮應(yīng)力作用時(shí)就形成了液化裂紋[16]。

2.3 胡須裂紋

在本試驗(yàn)中，當(dāng)焊接電流為52%Imax時(shí)，在靠近熔核的熱影響區(qū)還發(fā)現(xiàn)了沿晶走向、較為纖細(xì)的裂紋，如圖5所示。由于形狀如胡須，所以稱之為 “胡須裂紋”[17]，胡須裂紋是對(duì)點(diǎn)焊質(zhì)量頗有影響的一種裂紋。

圖5 熱影響區(qū)中的胡須裂紋

胡須裂紋主要分布在橢圓熔核長軸方向的熱影響區(qū)中，短軸方向熱影響區(qū)中很少發(fā)現(xiàn)。胡須裂紋明顯呈沿晶發(fā)展，很少有穿晶現(xiàn)象，裂紋中成黑色孔洞，無填充物通常比較纖細(xì)、彎曲或呈鋸齒狀，胡須裂紋主要由塑性變形引起。點(diǎn)焊時(shí)要求電極加壓速度極快，塑性變形必須在瞬間完成。2A12-T4鋁合金中存在CuAl2共晶化合物，由于其液相弱化了晶粒與晶粒的聯(lián)系，加上被擠入的液態(tài)金屬數(shù)量少，不足以填滿易開裂的晶界，當(dāng)電極隨動(dòng)性不良時(shí)，在快速張力作用下就可能發(fā)生沿晶界分布的胡須狀裂紋。

3 結(jié)論

（1）焊接電流對(duì)2A12-T4鋁合金點(diǎn)焊結(jié)晶裂紋的影響非常明顯。隨著焊接電流的增大，結(jié)晶裂紋經(jīng)歷了從無到有、從小到大的變化過程，當(dāng)焊接電流為設(shè)備最大電流的54%時(shí)出現(xiàn)了貫穿整個(gè)熔核的結(jié)晶裂紋。

（2）2A12-T4鋁合金點(diǎn)焊時(shí)，熱影響區(qū)有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)少量的液化裂紋和胡須裂紋。液化裂紋在熱影響區(qū)的分布沒有規(guī)律，胡須裂紋主要分布在橢圓熔核長軸方向的熱影響區(qū)中。液化裂紋和胡須裂紋都是由于晶界的低熔點(diǎn)相在熱作用下重新熔化，在收縮應(yīng)力作用下開裂形成的。

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