熱輸入對(duì)5052鋁合金焊接熱影響區(qū)軟化性能的影響

杜全斌 路全彬 秦磊

摘 要：本研究采用TIG焊接工藝對(duì)冷作硬化態(tài)5052薄板鋁合金進(jìn)行焊接，研究熱輸入對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：采用TIG焊接5052鋁合金時(shí)，熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化區(qū)，軟化區(qū)原母材變形組織被再結(jié)晶組織取代，硬度降低，變形強(qiáng)化效果消失。熱輸入不同，軟化區(qū)軟化及強(qiáng)度損失程度不同，小熱輸入（小于13 kJ·cm-1）焊接，焊縫成形不良，出現(xiàn)未熔合缺陷;中等熱輸入（13～17 kJ·cm-1）焊接，焊縫成形良好，母材軟化區(qū)硬度損失相對(duì)較小;過(guò)大熱輸入（大于17 kJ·cm-1）焊接，母材軟化區(qū)硬度損失嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：鋁合金;焊接接頭;熱輸入;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG441.8 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.011Open Science Identity（OSID）

鋁合金常規(guī)熔焊接頭在不同熱循環(huán)的作用下，硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，特別是熱影響區(qū)受焊接溫度場(chǎng)梯度的影響，各點(diǎn)經(jīng)歷的熱循環(huán)不同，該區(qū)域力學(xué)性能的不均勻性更為嚴(yán)重和復(fù)雜，成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[1-3]。由此，造成鋁合金焊接存在以下難點(diǎn)：鋁合金焊接接頭軟化嚴(yán)重，強(qiáng)度系數(shù)低;鋁合金線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形;鋁合金熱導(dǎo)率大，需要大的熱輸入等[4-6]。對(duì)于冷作硬化非熱處理強(qiáng)化鋁合金，焊接時(shí)溫度超過(guò)300 ℃以上的熱影響區(qū)產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象，發(fā)生軟化，強(qiáng)度系數(shù)降低，造成焊接接頭強(qiáng)度降低，失去冷作硬化效果，且不能經(jīng)過(guò)熱處理手段使強(qiáng)度恢復(fù)，故一定程度上限制了鋁合金在焊接結(jié)構(gòu)上的廣泛使用[7-10]。

本研究選用冷作硬化狀態(tài)的5052H32鋁合金作為研究對(duì)象，重點(diǎn)考察了不同熱輸入下3 mm厚薄板鋁合金焊接接頭軟化情況和強(qiáng)度損失程度，通過(guò)確定焊接熱輸入的范圍，盡量降低焊接接頭軟化程度并減少?gòu)?qiáng)度的損失。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用母材為H32態(tài)5052鋁合金，試板尺寸300 mm×150 mm×3 mm，焊絲選用ER5356，直徑1.6 mm，母材與焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用手工填絲TIG焊，焊接試樣采用V型坡口對(duì)接，坡口角度為60°，焊前對(duì)試板表面進(jìn)行嚴(yán)格清理，焊接熱輸入如表2所示。

焊接接頭的拉伸試樣按照GB/T 2651-2008進(jìn)行。按照GB/T 27552-2011的規(guī)定，采用華銀HV-1000A型顯微硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭的顯微硬度，加載力0.03 N，加載時(shí)間10 s。采用ZEISS Axio Scope A1金相顯微鏡對(duì)焊接接頭顯微組織進(jìn)行觀察，采用JSM-7500F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)焊接接頭拉伸斷口進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 熱輸入對(duì)焊縫成形的影響

為確定合適的焊接熱輸入，首先應(yīng)確保施焊條件下，焊縫成形良好，無(wú)焊縫成形缺陷。在一定的條件下，焊接熱輸入對(duì)焊縫成形產(chǎn)生影響，如圖1所示，不同的焊接熱輸入焊縫成形不同。焊接熱輸入小于13 kJ·cm-1時(shí)2號(hào)試樣（圖1a），焊縫高低不平、寬窄不一，成形不美觀，通過(guò)對(duì)背面的觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫背面有部分未熔合。當(dāng)焊接熱輸入大于17 kJ·cm-1時(shí)6號(hào)試樣（圖1c），焊縫熔寬過(guò)大，尺寸不符合要求，存在咬邊等焊接缺陷。對(duì)于中等熱輸入量13～17 kJ·cm-1的5號(hào)試樣（圖1b），焊縫成形美觀，焊縫尺寸合格，無(wú)咬邊、未熔合等缺陷。

2.2 熱輸入對(duì)焊接接頭軟化程度的影響

焊接接頭顯微硬度的變化，可反映焊接接頭軟化程度。為考察不同熱輸入下，焊接接頭軟化的情況，測(cè)量不同熱輸入的焊接接頭的顯微硬度。接頭硬度相對(duì)焊縫中心的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，在距離焊縫中心6～16 mm區(qū)域，3～8號(hào)試樣硬度值明顯較低，即此焊接熱影響區(qū)（HAZ）硬度明顯低于母材和焊縫區(qū)硬度，該區(qū)軟化現(xiàn)象十分明顯，稱為軟化區(qū)。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，即使在很小的熱輸入下，焊接接頭仍存在軟化區(qū)，如圖2中3號(hào)試樣。因此，采用TIG焊接冷作硬化的5052鋁合金時(shí)，熱影響區(qū)的軟化是較難避免的。進(jìn)一步觀察可知，隨著熱輸入的增加軟化區(qū)寬度為呈逐漸增加的趨勢(shì)，但各試樣軟化區(qū)的平均硬度差別不大，平均硬度為54 HV0.3，約為母材硬度的84 %。

2.3 分析與討論

圖3為焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織，熱輸入不同的2～8號(hào)試樣，熱影響區(qū)組織存在差異。當(dāng)熱輸入小于13 kJ·cm-1時(shí)，見(jiàn)圖3a 2號(hào)試樣，接頭出現(xiàn)未熔合缺陷。熱輸入大于13 kJ·cm-1的3～8號(hào)試樣，熱影響區(qū)分為靠近熔合區(qū)的固溶區(qū)和再結(jié)晶區(qū)，熱輸入不同再結(jié)晶區(qū)的寬度和晶粒組織也不同。焊接時(shí)由于母材在熱循環(huán)條件下，不同部位受到的熱影響不同，故其組織也不同。熱輸入為13～17 kJ·cm-1范圍的3～5號(hào)試樣再結(jié)晶區(qū)晶粒細(xì)化（如圖3c、d），晶粒為等軸晶，大小均勻;大于17 kJ·cm-1的6～8號(hào)試樣，再結(jié)晶區(qū)晶粒部分粗化（如圖3e）。

結(jié)合硬度結(jié)果表明，冷作硬化狀態(tài)的5052鋁合金TIG焊接時(shí)，由于焊接熱輸入的影響，在焊接熱影響區(qū)存在再結(jié)晶軟化區(qū)，軟化區(qū)變形晶粒消失，形成新的再結(jié)晶晶粒，熱輸入為13～17 kJ·cm-1（3～5號(hào)）時(shí)，軟化區(qū)再結(jié)晶晶粒細(xì)小，硬度降低，強(qiáng)度低于母材。當(dāng)熱輸入過(guò)大時(shí)（大于17 kJ·cm-1的6～8號(hào)），軟化區(qū)晶粒部分粗化，故強(qiáng)度低于5號(hào)試樣。對(duì)于非熱處理強(qiáng)化的5052鋁合金來(lái)說(shuō)，由于焊接熱輸入的作用，造成母材熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化區(qū)，母材變形強(qiáng)化效果消失。這說(shuō)明熱輸入不同，軟化區(qū)強(qiáng)化效果消失程度不同。

5052鋁合金TIG焊接熱影響區(qū)軟化、強(qiáng)度降低的主要原因是熱影響區(qū)的母材發(fā)生再結(jié)晶，變形組織消失，出現(xiàn)新的再結(jié)晶組織。

3 結(jié)論

采用TIG焊接冷作硬化態(tài)5052鋁合金時(shí)，熱影響存在軟化區(qū)，造成原硬化、強(qiáng)化效果消失，導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度降低。當(dāng)熱輸入小于13 kJ·cm-1時(shí)，焊縫成形不良，出現(xiàn)未熔合缺陷;當(dāng)熱輸入為13～17 kJ·cm-1時(shí)，焊縫成形良好，母材硬度、強(qiáng)度損失相對(duì)較小;繼續(xù)增大熱輸入（大于17 kJ·cm-1），母材硬度、強(qiáng)度損失嚴(yán)重。

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