熱輸入對2Al2鋁合金焊接接頭組織及性能的影響

李偉武，劉須收

（中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽471039）

熱輸入對2Al2鋁合金焊接接頭組織及性能的影響

李偉武，劉須收

（中信重工機械股份有限公司，河南 洛陽471039）

選用兩組不同焊接熱輸入分別對2Al2鋁合金進行了焊接工藝評定，并對焊接接頭進行了拉伸試驗、彎曲試驗、硬度檢測、宏觀檢查及金相組織分析等。通過對比兩種不同焊接熱輸入下所焊焊接接頭的力學(xué)性能及金相組織的變化，尤其是焊接熱輸入對焊接接頭軟化程度及晶粒度的影響，優(yōu)化出焊接2Al2鋁合金時比較理想的焊接熱輸入，即7.2～9 kJ/cm。該結(jié)論可用于指導(dǎo)同類產(chǎn)品的焊接生產(chǎn)。

焊接； 2Al2鋁合金；焊接熱輸入；金相組織；力學(xué)性能

2Al2鋁合金相當于美國標準中的2024，為鋁－銅－鎂系中的典型硬鋁合金，其綜合性能較好[1-4]。很多國家都生產(chǎn)這種鋁合金，其用量是硬鋁中最大的。該鋁合金有一定的耐熱性和耐蝕性。熱狀態(tài)、退火和淬火狀態(tài)下成形性能都比較好，熱處理強化效果顯著，但對熱處理工藝的要求較嚴。該類鋁合金廣泛用于船舶、汽車、航空航天、地鐵輕軌、電視塔、鉆探設(shè)備、交通運輸設(shè)備、導(dǎo)彈零件、裝甲車等領(lǐng)域[5-7]。

由于2Al2鋁合金熔點低、密度小、熱導(dǎo)率大，容易產(chǎn)生熱裂紋、焊接變形、氣孔等缺陷[8-9]，且焊接接頭軟化現(xiàn)象嚴重，目前國內(nèi)應(yīng)用最多的焊接方法有激光焊、攪拌摩擦焊、手工鎢極氬弧焊[10]。焊接熱輸入不合理會導(dǎo)致焊接接頭軟化或焊接裂紋，本研究為了確定2Al2鋁合金合理的焊接熱輸入，選用2組焊接規(guī)范，分別進行焊接工藝評定，通過拉伸試驗、彎曲試驗、硬度檢測、宏觀檢查、金相組織分析，最終優(yōu)化出合理的焊接熱輸入，用于指導(dǎo)該類產(chǎn)品的焊接。

1 焊接工藝方案

1.1 焊接材料及焊接設(shè)備

試驗用焊接材料為2Al2鋁合金，采用手工鎢極氬弧焊焊接工藝，氬弧焊焊絲選用ER2319。2Al2鋁合金及ER2319焊絲的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用2Al2鋁合金及ER2319焊絲的化學(xué)成分 %

焊接設(shè)備采用額定電流為300 A的松下逆變交直流焊機，設(shè)備型號為YC-300WX3HGE。

1.2 焊接接頭設(shè)計

取厚度3mm，尺寸為200mm×400mm的試板進行對接焊試驗。焊接時為保證單面焊雙面成型，開V形坡口，角度取60°，根部間隙2 mm，無鈍邊。焊接試板坡口形狀及尺寸如圖1所示。

圖1 焊接試樣的坡口形狀及尺寸

1.3 焊接熱輸入

選取兩組焊接熱輸入?yún)?shù)。第一組：焊接電流100 A，電壓12 V，焊接速度80～100 mm/min，熱輸入7.2～9 kJ/cm；第二組：焊接電流150 A，電壓14 V，焊接速度80～100 mm/min，熱輸入12.6～15.75 kJ/cm。

2 焊接工藝試驗

2.1 焊接變形控制

由于鋁合金線膨脹系數(shù)大，約為普通鋼的2倍，凝固時的體積收縮率為6.5%左右。尤其是薄板，焊接變形更大。為控制焊接變形，采取剛性固定和定位焊相結(jié)合的措施，即選用2件40mm厚，200 mm×400 mm的大鋼板壓在待焊試板上，如圖2所示，同時對試板兩端進行定位焊，以保證在焊接過程中始終保持2mm的間隙。

2.2 焊接

用100%Ar作為保護氣體，氣流量7 L/min，鎢極3.0 mm，鎢極材料為鈰鎢極，焊接位置為平焊。焊后試板如圖3所示。

圖2 待焊試板固定示意圖

圖3 焊后試板

2.3 焊接試板取樣

為減少熱加工對2Al2鋁合金焊后試板金相組織及力學(xué)性能的影響，采用線切割對焊后試板取樣，包括拉伸、彎曲、硬度、宏觀檢查及金相分析試樣，各試樣的取樣位置如圖4所示。

圖4 各試樣取樣位置示意圖

3 試驗結(jié)果

3.1 拉伸、彎曲性能

在WE-100液壓式萬能試驗機上，對兩種焊接熱輸入下的焊接試樣進行拉伸和彎曲試驗，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，有2個拉伸試樣斷裂于母材處，抗拉強度最小240 MPa，2個斷裂于焊縫處，焊縫強度均高于母材的最小強度240 MPa；焊縫的彎曲角度均高于母材5°，說明焊縫的塑性優(yōu)于母材，達到了標準要求。

表2 兩種焊接熱輸入下焊接試樣的拉伸和彎曲試驗結(jié)果

當焊接電流為150 A時，焊縫抗拉強度253 MPa，較焊接電流100 A時焊縫抗拉強度267MPa降低了5.2%，焊縫組織相對有一定的軟化。

3.2 硬度檢測

為分析不同熱輸入對焊接接頭硬度的影響，在HV-120維氏硬度試驗機上，對線切割下的硬度試樣進行維氏硬度檢測，焊縫取3個點，熱影響區(qū)兩側(cè)各取3個點，硬度檢測結(jié)果見表3。

表3 硬度檢測結(jié)果

從表3可以看出，焊接2Al2時，當焊接電流為150A時，硬度平均值為117.1 HV10，較焊接電流為100 A時硬度平均值111.1 HV10有所降低，降低了5.1%，發(fā)生一定程度的軟化；當焊接電流為150 A時，熱影響區(qū)的平均硬度為137.7 HV10，相對于100 A時硬度平均值139.3 HV10也有所降低，下降了1.1%，軟化程度不很明顯。

3.3 宏觀檢查

為檢測焊縫、熱影響區(qū)內(nèi)部是否存在氣孔、夾渣、焊合不良、裂紋、非金屬夾雜等缺陷，制備宏觀檢查試樣，并進行橫截面及縱截面宏觀檢查，結(jié)果如圖5所示。

圖5 焊接試樣宏觀照片

由圖5可知，焊縫、熱影響區(qū)內(nèi)部均不存在氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，滿足標準要求。

3.4 金相組織分析

為對比不同熱輸入對金相組織的影響，分別對2組焊接試板焊制的焊接接頭進行金相組織檢測，取樣位置包括母材、焊縫、熱影響區(qū)，各試樣的金相組織照片分別如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，母材2Al2的金相組織：基體為α（Al）固溶體，從過飽和α固溶體中分解出 θ 相（CuAl2）和少量的 S 相（Al2CuMg）， 并含有一定的不溶雜質(zhì)相，θ相、S相均為強化相，對鋁合金的力學(xué)性能起到強化作用，可提高其強度。圖中暗色斑點是強化相θ相和S相，灰白色是α固溶相。

由圖6（b）～圖6（e）可以看出， 兩種不同熱輸入下，焊縫金相組織形貌基本一致，基體是α(Al)固溶體，沿晶界析出柱狀及塊狀的θ相(CuAl2)和少量的S相(Al2CuMg)。晶內(nèi)析出點狀、條狀的θ相（CuAl2） 和少量的 S 相（Al2CuMg）。 圖中灰白色是α固溶相，暗色斑點是θ相（CuAl2）、S相（Al2CuMg）。 θ 相（CuAl2）、 S 相(Al2CuMg)是過飽和α固溶體中的析出相，起到強化作用，強化相越多，晶粒越細小，焊縫的強度越高。焊接電流為150 A和100 A時所焊試件金相組織的晶粒大小明顯不同，150 A時產(chǎn)生局部粗化現(xiàn)象，晶粒分布不均勻，導(dǎo)致焊縫強度有所降低。

圖6 母材、焊縫及熱影響區(qū)的金相組織 500×

兩種不同熱輸入下所焊試件熱影響區(qū)的金相組織形貌基本一致，基體是α(Al)固溶體，沿晶界析出塊狀的θ相(CuAl2)和少量的S相(Al2CuMg)+不溶雜質(zhì)相，晶內(nèi)析出點狀、條狀的θ相（CuAl2）和S相（Al2CuMg）。圖中灰白色是α固溶相，暗色斑點是 θ 相（CuAl2）和 S 相（Al2CuMg）。 θ 相（CuAl2）和 S相（Al2CuMg）是過飽和α固溶體中的析出相起到強化作用，強化相越多，晶粒越細小，熱影響區(qū)的強度越高。焊接電流為150 A時所焊試件金相組織的晶粒產(chǎn)生局部粗化現(xiàn)象，但不明顯，組織分布均勻，晶粒度達到7級。

4 結(jié) 論

（1）選擇了與2Al2鋁合金相匹配的焊接材料，并完成了兩組不同熱輸入下的焊接工藝評定試驗。

（2）通過焊接接頭性能及金相組織對比分析，優(yōu)化出了合適的焊接熱輸入量，即7.2～9 kJ/cm。

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Effect of Heat Input to 2Al2 Aluminum Alloy Welded Joint Properties and Microstructure

LI Weiwu，LIU Xushou
（CITIC HEAVY INDUSTRIES CO.,LTD.,Luoyang 471039,Henan,China）

The WPQ（welding procedure qualification） was carried out for 2Al2 aluminum alloy by adopting two groups of different welding heat input.The tensile test,bend test,hardness test,macro examination and metallographic structure analysis were conducted for welded joint.By comparing the change of mechanical properties and metallographic structure under 2 kinds of welding heat input,especially the effect of heat input on the softening degree and grain size,the ideal welding heat input,namely 7.2～9 kJ/cm,was optimized for 2Al2 aluminum alloy,which is used to guide the welding production of similar products.

welding;2Al2 aluminum alloy;welding heat input;metallographic structure;mechanical properties

TG407

B

1001－3938（2015）09-0041-04

李偉武（1970—），男，高級工程師，主要從事焊接工藝研究。

2015-04-17

謝淑霞