7075鋁合金等離子-MIG復(fù)合焊工藝及組織性能研究

喬琳崴

摘 要：對(duì)7075鋁合金的常用方法進(jìn)行解析，其產(chǎn)生裂紋和氣孔的概率過(guò)大，已經(jīng)不再適應(yīng)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)代要求。所以，新的焊接方法應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)等離子-MIG復(fù)合焊接所需要的各項(xiàng)研究參數(shù)及方法進(jìn)行研究，對(duì)已有的研究進(jìn)行分析，為鋁合金焊接方法的發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力。

關(guān)鍵詞：7075鋁合金；等離子-MIG復(fù)合焊接；Super-MIG焊接系統(tǒng)

1 鋁合金的應(yīng)用

鋁合金有質(zhì)量輕、外觀好、復(fù)雜曲面的制造較簡(jiǎn)單、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，在世界各國(guó)的交通業(yè)倍受重視。目前，我國(guó)的軌道交通行業(yè)，想要繼續(xù)加快列車運(yùn)行速度，發(fā)展高鐵、動(dòng)車、地鐵，就必須將重點(diǎn)放在列車的輕量化上，通過(guò)質(zhì)量的減小，降低列車運(yùn)行所需的能源量，同時(shí)減少運(yùn)行中所受的空氣阻力，鋁合金車體的全球化發(fā)展勢(shì)不可擋。雖然鋁合金得到了廣泛運(yùn)用，但其焊接性能差，有應(yīng)力腐蝕開裂傾向。焊接時(shí)，由于其脆性強(qiáng)，并且焊接后的強(qiáng)度要求高，一般使用常用的焊接方法焊后依然會(huì)產(chǎn)生裂紋或者氣孔。由于傳統(tǒng)方法有裂紋風(fēng)險(xiǎn)，隨著時(shí)代的進(jìn)步，產(chǎn)生了復(fù)合焊接的方法，可以更好地應(yīng)用在7075鋁合金焊接領(lǐng)域。

7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，強(qiáng)度高。鋅是7075中主要的合金元素，向含有3.0%～7.5%鋅的合金中添加鎂，可形成強(qiáng)化效果顯著的MgZn2，使該合金的熱處理效果遠(yuǎn)勝鋁-鋅二元合金。提高合金中的鋅、鎂含量，抗拉強(qiáng)度會(huì)得到進(jìn)一步的提高，但其抗應(yīng)力腐蝕和抗剝落腐蝕的能力會(huì)隨之下降。經(jīng)受熱處理，能達(dá)到非常高的強(qiáng)度。7075材料一般都加入少量銅、鉻等合金，該系中以7075-T651鋁合金為上品，被譽(yù)為鋁合金中最優(yōu)良的產(chǎn)品，強(qiáng)度高，遠(yuǎn)勝任何軟鋼。此合金具有良好的機(jī)械性能，代表用途有航空航天、模具加工、機(jī)械設(shè)備、工裝夾具，特別用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)及其他要求強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)體。7075鋁合金板的硬度大約為150 HB，抗拉強(qiáng)度為540 MPa，伸長(zhǎng)率為11%，而且經(jīng)過(guò)固溶處理的7075鋁板具有良好的塑性，通過(guò)熱處理可以得到非常理想的效果，在150 ℃下具有高強(qiáng)度和較好的低溫強(qiáng)度。7075鋁板是高強(qiáng)度可熱處理合金，具有良好的機(jī)械性能，易于加工，耐磨性、抗腐蝕性、抗氧化性能好。

2 鋁合金常用的焊接方法

傳統(tǒng)的鋁合金焊接方法有以下幾種：氣焊、熔化極氣體保護(hù)焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）、電阻焊、釬焊。其中，常用的是熔化極氣體保護(hù)焊。GMAW是一種被廣泛應(yīng)用的工業(yè)生產(chǎn)手段，焊接速度快，熱量低，生產(chǎn)成本低。GMAW因其焊接質(zhì)量高、設(shè)備成本低，已成為許多行業(yè)不可缺少的焊接方法。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，最終的焊接質(zhì)量至關(guān)重要，因此，焊縫必須無(wú)缺陷。GMAW方法一直用于高質(zhì)量的焊接，在發(fā)電廠和制造應(yīng)用中表現(xiàn)良好。

鋁焊接時(shí)不穩(wěn)定的電弧和煙塵的形成是熔化極惰性氣體（Melt Inert-Gas，MIG）焊接近些年尚未解決的問(wèn)題之一。由于工業(yè)需求的顯著增長(zhǎng)，GMAW產(chǎn)品需要有更長(zhǎng)的使用周期，制造商正承受壓力，急需通過(guò)精簡(jiǎn)原則來(lái)降低成本和開發(fā)更高效的制造技術(shù)。所以，產(chǎn)生了一種新方法，即等離子-MIG復(fù)合焊。等離子-MIG復(fù)合焊是一種利用等離子弧和MIG焊優(yōu)點(diǎn)的MIG焊接[1-2]，等離子電極安裝在接頭，流過(guò)電弧的保護(hù)氣體在電弧的上游區(qū)域被等離子體電極電離，保護(hù)氣體的流動(dòng)控制著電弧的形狀[3]。等離子-MIG混合焊接工藝由等離子激光技術(shù)公司（以色列約克尼姆）開發(fā)，有助于應(yīng)對(duì)需求增加、循環(huán)周期加快和更高效制造管接頭應(yīng)用的挑戰(zhàn)。新的焊接工藝稱為Super-MIG，最近被證實(shí)是GMAW在管道連接應(yīng)用中的一種可行替代方案，提供高質(zhì)量的焊接，能顯著加快焊接處理速度、縮短焊接時(shí)間并降低成本。

到目前為止，已經(jīng)有很多關(guān)于等離子-MIG焊工藝的應(yīng)用和金屬轉(zhuǎn)移及其電弧特性的研究。有學(xué)者研究過(guò)等離子MIG的電弧特性焊接并報(bào)告電弧柱內(nèi)溫度約為6 727 ℃，周圍有金屬蒸汽的等離子弧中記錄的較高溫度約為13 273 ℃。在用低碳鋼進(jìn)行金屬轉(zhuǎn)移的研究中，有學(xué)者已經(jīng)完成了直流正接（Direct Current Electrode Positive，DCEP）極性的研究，電離保護(hù)氣體影響電弧和金屬熔滴，其中有兩種類型的金屬轉(zhuǎn)移被觀察到：高能量密度、固定窄弧相對(duì)較低的MIG電流和低平均值的旋轉(zhuǎn)模式MIG，他們還發(fā)現(xiàn)電弧周圍存在電離等離子體流柱，對(duì)于減少飛濺，進(jìn)一步提高了可能性。他們只關(guān)注金屬轉(zhuǎn)移行為但沒有作詳細(xì)的分析。在理解金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的重要性方面，有學(xué)者對(duì)等離子-MIG復(fù)合焊進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用電弧、熔滴相互的作用來(lái)模擬金屬的剝離和熔池形成。他們只算出電離等離子體的溫度在11 273～12 273 ℃，但是沒有關(guān)于熔滴的形成及其溫度的研究。

3 等離子-MIG復(fù)合焊接工藝原理

等離子-MIG焊接系統(tǒng)由兩個(gè)電源組成：MIG焊接具有恒壓特性的電源以及具有恒流特性的等離子體電源。兩個(gè)電源的正極性都與觸點(diǎn)相連，焊槍和等離子電極的尖端（在MIG側(cè)）呈負(fù)極性，焊槍設(shè)計(jì)成允許等離子和MIG焊接在一個(gè)焊炬中，并且等離子被設(shè)置為關(guān)閉。此外，火炬還有一個(gè)3種氣體同時(shí)流動(dòng)的機(jī)制：中心氣體、等離子氣體和氯化氣體同時(shí)流動(dòng)。然而，在這個(gè)試驗(yàn)中，所有層都使用氬氣。

熔滴表面溫度分布的測(cè)試結(jié)果通過(guò)雙色溫度常規(guī)MIG焊的測(cè)量方法獲得。平均大小是指在水平方向測(cè)量的熔滴直徑值，而平均溫度是指表面熔滴溫度。結(jié)果表明，常規(guī)MIG焊的焊接溫度比等離子焊高，其中MIG焊分別為2 996 ℃和2 532 ℃。傳統(tǒng)MIG焊熔滴尺寸為1.07 mm，小于等離子-MIG熔滴焊接尺寸（1.66 mm）。兩種情況下熔滴表面的溫度分布幾乎一致。等離子-MIG焊接的熔滴傳輸方式是球形的。

4 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

7075鋁合金作為新型高強(qiáng)鋁合金，在軌道交通領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，本研究采用Super-MIG機(jī)器人焊接系統(tǒng)，以直徑為1.2 mm的ER5356鋁硅焊絲為填充材料，進(jìn)行4 mm厚7075鋁合金等離子-MIG復(fù)合焊對(duì)接試驗(yàn)。

對(duì)于本次試驗(yàn)，通過(guò)查閱資料，發(fā)現(xiàn)對(duì)Super-MIG有影響的焊接參數(shù)包括焊接速度、MIG電流和等離子電流，等離子氣流量和焊矩高度有關(guān)，其他參數(shù)對(duì)其影響不大。通過(guò)改變上述參數(shù)來(lái)研究焊縫成形的好壞。

所需要的焊接設(shè)備包括Super-MIG焊接系統(tǒng)，用于焊接工藝試驗(yàn)；多功能焊接平臺(tái)，用于焊接工藝試驗(yàn)； OLYMPUS-BX51M光學(xué)顯微鏡，用于宏觀及微觀組織分析；WDW-300E微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，用于拉伸試驗(yàn)；HV-1000B型顯微硬度計(jì)，用于硬度分布測(cè)試。

焊接設(shè)備采用等離子復(fù)合焊接，在復(fù)合電弧中，等離子電弧電流為直流模式，MIG電弧電流選用脈沖模式，焊接設(shè)備采用等離子-MIG復(fù)合焊接機(jī)器人系統(tǒng)，包括Super-MIG等離子焊接電源及旁軸式等離子-MIG復(fù)合一體化焊槍、TransPuls Synergic 5000 CMT氣體保護(hù)焊機(jī)、MOTOMANHP20D機(jī)器人及焊接變位機(jī)。

進(jìn)行焊接之前，先要對(duì)被焊材料進(jìn)行焊接前的準(zhǔn)備工作，這些工作包括材料的切割、開坡口及坡口的加工、表面的處理等。完成了這些焊前準(zhǔn)備工作，所得到的焊接接頭參數(shù)才能更加精確。將板踩切開之后，要對(duì)切口斷面進(jìn)行精加工，以保證所用板材焊接時(shí)的參數(shù)不受外來(lái)因素影響，精加工方式可以采用銑床，進(jìn)行銑床操作時(shí)要保證板材端面的垂直度及表面粗糙度。這樣兩塊板材在對(duì)接焊接時(shí)才能保證對(duì)齊，試驗(yàn)效果不會(huì)受位置因素影響。鋁合金板的表面易產(chǎn)生致密的氧化膜，難以去除，可以采用機(jī)械方法來(lái)去除。還應(yīng)使用丙酮清洗表面和端面的污垢，并且在焊接過(guò)程中也應(yīng)及時(shí)防氧化，用丙酮擦拭焊絲的表面。

焊接后先使用X射線衍射儀進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，確定所焊接的板材無(wú)致命缺陷或關(guān)鍵性焊接缺陷，將滿足后續(xù)力學(xué)試驗(yàn)條件的板材篩選出來(lái)，然后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

首先進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用標(biāo)距為50 cm、總長(zhǎng)為150 cm、厚度為原始厚度的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。選取試樣時(shí)注意通過(guò)上一步的無(wú)損檢測(cè)，將有缺陷、不宜參加拉伸試驗(yàn)的試樣篩選出序列，這樣不僅可以得到清晰明了的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也能加快試驗(yàn)進(jìn)度、減少無(wú)用數(shù)據(jù)的出現(xiàn)概率。通過(guò)拉伸試驗(yàn)可以得到抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等數(shù)據(jù)。

硬度測(cè)試方面，采用維氏硬度。硬度代表材料的硬度指標(biāo)，與一般的力學(xué)性能所代表的意義有些許不同，一個(gè)材料的硬度往往對(duì)材料的使用壽命這一重要指標(biāo)有重要影響。對(duì)于焊縫區(qū)和熱影響，可使用HV-1000B維氏硬度計(jì)作為試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)定載荷為200 gf，負(fù)載的加載時(shí)間為20 s。沿焊縫中心與試樣邊緣平行的水平線，每隔0.5 mm設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的硬度，以便更好地了解等離子-MIG復(fù)合焊接接頭的性能變化。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)如今，鋁合金的等離子-MIG復(fù)合焊接仍不具備系統(tǒng)的操作指導(dǎo)，在這個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代，傳統(tǒng)的鋁合金焊接方法被取代只是時(shí)間問(wèn)題。所以，應(yīng)該將眼光放長(zhǎng)遠(yuǎn)，為今后的鋁合金焊接發(fā)展作好鋪墊，為今后軌道、車輛鋁合金輕量化作出貢獻(xiàn)。

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