5083鋁合金等離子-MIG焊接接頭組織和力學性能

(1.河北科技大學 材料科學與工程學院,石家莊 050018;2.廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣州 510650)

0 序 言

鋁合金由于比強度高、耐蝕性好、易于成型等特點被廣泛應用于航空航天、高速列車和船舶制造等行業(yè)。等離子-MIG焊是一種針對鋁及其他金屬材料開發(fā)的新型高效復合焊接工藝方法，它是將等離子和MIG兩種焊接方法相結(jié)合，不僅具有等離子弧焊熔深大的特點，還具備MIG焊熔敷效率高的特點[1]。等離子-MIG復合焊根據(jù)焊槍結(jié)構(gòu)分為旁軸式和同軸式。魏波[2]在6 mm厚6061鋁合金旁軸式等離子-MIG焊焊縫組織中發(fā)現(xiàn)焊縫中心頂部晶粒尺寸小于焊縫底部晶粒尺寸；霍海龍[3]在20 mm厚5083鋁合金旁軸式等離子-MIG雙面焊焊縫組織中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，其產(chǎn)生原因是旁軸式等離子-MIG焊中等離子弧對焊縫上層攪拌作用大，而對焊縫下層攪拌作用小。石磊[4]在10 mm厚5A06鋁合金同軸式等離子-MIG焊中發(fā)現(xiàn)焊縫組織與MIG焊差別不大。目前，同軸式等離子-MIG焊的研究多針對工藝本身，對接頭組織和性能特點研究較少。文中采用同軸式等離子-MIG焊對 5 mm厚5083鋁合金進行焊接，并分析了焊接接頭組織和力學性能。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗設備

等離子-MIG復合焊設備采用型號為PW-HYBRID-TC的同軸復合焊槍，由等離子和MIG焊接組件構(gòu)成，有三路水冷循環(huán)，并有三路氣路。等離子電極和MIG焊絲電極極性均為正極性，工件為負極性，離子氣和保護氣均采用氬氣，圖1為焊槍結(jié)構(gòu)圖。

圖1 同軸式等離子-MIG焊槍結(jié)構(gòu)圖[5]

1.2 試驗材料

該試驗采用5083鋁合金進行等離子-MIG復合焊對接試驗，試板尺寸360 mm × 200 mm × 5 mm，試驗中選擇ER5356焊絲作為填充金屬，焊絲直徑d為1.2 mm，母材及焊絲化學成分見表1。

1.3 試驗過程

為保證焊接質(zhì)量，先采用丙酮去除對接面30 mm范圍內(nèi)油污等，再用機械打磨的方法去除氧化膜。焊接過程中采用夾具將試板固定在工作臺上，不開坡口進行單面焊雙面成型焊接，焊接參數(shù)見表2。焊接完成后對焊好的試板，切取金相、硬度、拉伸試樣，并進行組織和力學性能分析。

表1 母材及焊絲主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 主要工藝焊接參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊縫宏觀形貌

如圖2所示為焊縫正面成形情況，焊縫表面為連續(xù)均勻的魚鱗紋，成形美觀，無飛濺，無表面缺陷。

圖2 焊縫表面成形

圖3為焊縫橫截面宏觀圖，可以看到內(nèi)部存在氣孔(圖中白點)，且在熔合線附近出現(xiàn)較多。這是由于鋁凝固過程中氫的溶解度急劇下降，而鋁的導熱系數(shù)很大，冷卻速度快，氣泡來不及逸出形成氣孔[5]。

圖3 焊縫橫截面形貌

2.2 接頭顯微組織

截取焊接接頭金相試樣，經(jīng)過磨制、拋光、腐蝕后，用蔡司顯微鏡觀察顯微組織。等離子-MIG焊接接頭組織可分為母材區(qū)、熱影響區(qū)、部分熔化區(qū)和焊縫四個區(qū)域，各區(qū)域顯微組織金相照片如圖4～7所示。圖4為5083鋁合金母材金相照片，為典型的纖維狀軋制組織。圖5為熱影響區(qū)組織，與母材相比晶粒長大明顯。圖6a為熔合線附近組織，熔合線內(nèi)焊縫存在細小的等軸晶區(qū)(EQZ)。Reddy等人[6]發(fā)現(xiàn)等軸晶區(qū)形成于特定溫度區(qū)間，且與液態(tài)金屬流動和凝固條件有很大關系，需要較多的異質(zhì)形核核心和較高過冷度，且多數(shù)研究認為該細等軸晶區(qū)對性能不利[7]。圖6b為非偏光下觀察的顯微組織，可以看到部分熔化區(qū)較寬，該區(qū)域內(nèi)晶粒發(fā)生部分熔化，成分不均勻，易發(fā)生熱裂紋，是接頭性能的薄弱環(huán)節(jié)。

圖4 母材顯微組織

圖5 熱影響區(qū)組織

圖6 熔合線附近顯微組織

圖7為偏光下觀察的焊縫顯微組織。圖7a中顯示焊縫中心約1.2 mm范圍內(nèi)晶粒較細小(兩標線之間)，焊縫兩側(cè)直至熔合線附近的細小等軸晶之間晶粒尺寸稍大。圖7b和7c所示為焊縫上下表面附近的顯微組織，這兩處晶粒尺寸較其他區(qū)域晶粒尺寸大。以上焊縫各區(qū)域晶粒大小分布與復合電弧特性有很大關系。圖8所示為同軸等離子-MIG復合電弧溫度分布圖[8]，可以發(fā)現(xiàn)焊縫中心區(qū)域溫度低，容易產(chǎn)生較大的成分過冷并發(fā)生非均質(zhì)形核，再加上等離子弧的攪拌作用，使晶粒進一步細化，最終在焊縫中心形成較細等軸晶組織。電弧的最高溫度在焊縫中心的兩側(cè)出現(xiàn)，結(jié)晶速度小，成分過冷度降低，導致等軸晶組織晶粒較大。當電弧移走后，上下表面散熱快，晶粒尺寸也較大。

圖7 焊縫顯微組織

圖8 等離子-MIG復合電弧溫度分布

2.3 力學性能試驗結(jié)果分析

2.3.1顯微硬度試驗

硬度試驗試樣標準尺寸參照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》，采用維氏顯微硬度計進行硬度測量，設定載荷為0.5 kg，載荷時間為10 s。接頭顯微硬度測試線如圖9所示，第一排距離試板上表面1.5 mm，兩排間距2 mm，相鄰兩點間隔1 mm。

圖9 硬度測試線示意圖

5083鋁合金等離子-MIG復合焊接頭硬度曲線如圖10所示，可以看出硬度以焊縫中心為軸近似呈對稱分布。母材硬度值最高，平均約為92 HV。焊縫和熱影響區(qū)硬度均小于母材硬度，這主要是由于Mg元素的燒損，使得固溶強化作用減弱。焊縫中心處硬度比相鄰的外側(cè)區(qū)域稍高，跟該處的晶粒尺寸小有關。整個接頭的硬度最低點在偏離焊縫中心1 mm的位置，最低值為78 HV，大約是母材硬度的85%，該處所經(jīng)受的電弧溫度最高，Mg元素蒸發(fā)嚴重，且晶粒尺寸較大。

圖10 硬度分布曲線

2.3.2拉伸試驗

根據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》加工拉伸試樣并在Zwick拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗。拉伸試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示，焊接接頭抗拉強度約為277 MPa，斷后伸長率約為7.34%，屈服強度約為191 MPa。

拉斷試樣斷裂位置均在熔合線附近。熔合線附近存在部分熔化區(qū)成分不均勻性、非外延生長的細小等軸晶區(qū)和較多的氣孔，這些因素共同導致了該處成為整個接頭性能的薄弱環(huán)節(jié)。

表3 拉伸試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1)焊縫為等軸晶組織，且在熔合線內(nèi)側(cè)形成細小等軸晶區(qū)(EQZ)，焊縫中心1.2 mm范圍內(nèi)晶粒細小，相鄰外側(cè)晶粒尺寸較大。焊縫近表面晶粒尺寸也較大。

(2)焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度均低于母材，偏離焊縫中心1 mm的位置硬度最低為78 HV，約為母材硬度的85%。

(3)接頭平均抗拉強度為277 MPa，斷面收縮率為7.34%，斷裂位置在熔合線附近。部分熔化區(qū)成分不均勻、熔合線內(nèi)側(cè)細小等軸晶區(qū)和氣孔的存在共同導致了該位置接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

[1] 王長春，杜 兵. 等離子-MIG復合熱源焊接技術(shù)研究與應用[J]. 焊接,2009(12)：62-64.

[2] 魏 波. 鋁合金等離子-MIG復合焊工藝研究[D]. 成都:西南交通大學碩士學位論文，2014.

[3] 霍海龍. 鋁合金中厚板等離子-MIG復合焊研究[D]. 成都:西南交通大學碩士學位論文，2015.

[4] 石 磊. 5A06鋁合金Plasma-MIG焊工藝研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學碩士學位論文, 2006.

[5] 唐良喜，肖 云，蘭志剛，等. 鋁及鋁合金 MIG 焊接預防氣孔的措施[J]. 機械制造文摘——焊接分冊，2011(5)：35-39.

[6] Reddy G M, Gokhale A A, Prafad K S. Chill zone formation in Al-Li alloy welds[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 1998, 3(4): 208-212.

[7] 許良紅，田志凌，彭 云. 等高強鋁合金的激光焊接頭組織及力學性能[J].中國激光，2008，35(3)：456-461.

[8] 楊 濤. Plasma-MIG電弧耦合機制及2219鋁合金焊接工藝研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文, 2013.