補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)6060鋁合金焊接接頭性能的影響

馬魁一，王麗鵬，趙 陽(yáng)，曲鳳嬌，楊 麗

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

隨著鋁及其合金焊接技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)研究出多種能夠滿足各種使用要求的鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件，如航天飛機(jī)、全鋁汽車以及各種能導(dǎo)電、耐腐蝕、耐高低溫的焊接結(jié)構(gòu)件[1]。但無(wú)論是哪種鋁合金焊接方法，其產(chǎn)品質(zhì)量都不穩(wěn)定，這主要是焊接鋁合金時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生各種類型缺陷，還會(huì)產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力和焊接變形，這些都對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響[2-3]。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，補(bǔ)焊次數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的組織和性能下降，所以焊接工藝?yán)飳?duì)補(bǔ)焊次數(shù)的要求都不會(huì)超過(guò)兩次，比如EN 15085《軌道車輛及其部件的焊接》中對(duì)鋁合金焊接的要求為任何位置不允許超過(guò)兩次補(bǔ)焊[4]，BS EN 1090-3-2008《鋼結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)的實(shí)施第3部分鋁結(jié)構(gòu)用技術(shù)要求》中要求如果焊接部位沒有特殊批準(zhǔn)，補(bǔ)焊次數(shù)不得超過(guò)兩次[5]。根據(jù)劉禮軍等[6]的研究，MIG焊接的接頭性能優(yōu)于TIG焊接，因此選取MIG焊接。本文焊接母材選取焊接性能優(yōu)良的6060鋁合金，研究3種補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)6060鋁合金接頭組織與性能的影響，并為分析制定6060鋁合金補(bǔ)焊工藝提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 焊接材料

試驗(yàn)選取的焊接母材為相同批次和熱處理方式6060-T6鋁合金。焊接母材拉伸性能驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 6892-2015《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》，其參考值和實(shí)測(cè)值見表1；化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.552，Mg 0.531，F(xiàn)e 0.170，Cu 0.024，Mn 0.035，Cr 0.019，Ti 0.033，Zn 0.022，Ga 0.015，Na+Ni+Sn+Pb 0.008，Al余量。焊接后試板尺寸為300mm×300mm×8mm，焊材為Φ1.2mm的5356鋁合金焊絲，焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Mg 5.0，Cr 0.1，F(xiàn)e+Si 0.3，Cu≤0.05，Zn 0.05，Mn 0.15，Ti 0.1，Al余量。

表1 焊接母材的拉伸性能

1.2 焊接及補(bǔ)焊方法

1.2.1 焊接工藝

采用TPS 5000焊機(jī)進(jìn)行MIG多層焊接，保護(hù)氣體為99.99%的氬氣，焊接位置為平焊，接頭處坡口形式如圖1所示，工藝參數(shù)見表2。焊接前應(yīng)保證坡口面及焊絲無(wú)油污、氧化膜及水分，并在焊接前進(jìn)行預(yù)熱處理。在焊接時(shí)焊縫背面需使用臨時(shí)焊接襯板結(jié)構(gòu)。

1.2.2 補(bǔ)焊方法

本次試驗(yàn)共需制備出3種焊接試板，分別為未補(bǔ)焊試板、一次補(bǔ)焊試板和二次補(bǔ)焊試板。采用機(jī)加工方式先將圖1中焊縫區(qū)域內(nèi)的填充金屬全部剔除，再重新加工出70°坡口，加工深度接近母材原始厚度，然后進(jìn)行補(bǔ)焊，重復(fù)以上過(guò)程直至焊接出要求的試板。補(bǔ)焊時(shí)的工藝參數(shù)與初次焊接的工藝參數(shù)相同，全部焊接完成后進(jìn)行焊后檢測(cè)。

表2 焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)方法為X-射線檢測(cè)內(nèi)部缺陷，滲透檢測(cè)表面缺陷。檢測(cè)結(jié)果為取樣區(qū)域內(nèi)滲透檢測(cè)和X-射線檢測(cè)都合格，這表明檢測(cè)區(qū)域均無(wú)超標(biāo)缺陷，所以可以排除宏觀缺陷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.2 拉伸性能

每種焊接試板需制備出兩個(gè)焊接接頭、兩個(gè)母材室溫拉伸樣品，試驗(yàn)設(shè)備為日本島津公司生產(chǎn)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)備型號(hào)為AG-X 100KN H。依據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)ISO 15614-2:2005《金屬材料焊接工藝規(guī)范及資格評(píng)定焊接工藝性試驗(yàn)第2部分鋁和鋁合金的弧焊》，處于焊后狀態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)滿足以下要求：Rm(w)≥Rm(pm)×T；式中，Rm(w)為處于焊后狀態(tài)的試樣抗拉強(qiáng)度；Rm(pm)為試驗(yàn)要求的母材抗拉強(qiáng)度；T為接頭效率系數(shù)，對(duì)于6060-T6的MIG焊接，T=0.6。由表1可知，Rm(pm)=170 MPa，代入上式可知Rm(w)≥102MPa。通過(guò)表3可知，接頭處拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 焊接接頭的拉伸性能

但焊后性能均有不同程度的下降，抗拉強(qiáng)度下降約40%，屈服強(qiáng)度下降約60%，斷后伸長(zhǎng)率下降約15%。這說(shuō)明焊后接頭處均發(fā)生軟化現(xiàn)象，軟化原因與下文的接頭處硬度出現(xiàn)的軟化現(xiàn)象原因基本相同。3種不同補(bǔ)焊次數(shù)試板的接頭處拉伸性能無(wú)明顯差別，這說(shuō)明補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)拉伸性能影響較小。焊接接頭處塑性均良好，這主要體現(xiàn)在斷后伸長(zhǎng)率均超過(guò)13%，高于對(duì)母材的要求。

從圖2可以看出所有接頭處的斷裂位置均位于熱影響區(qū)，這說(shuō)明在經(jīng)受不同的熱循環(huán)和應(yīng)變循環(huán)作用后，熱影響區(qū)是接頭處最薄弱的位置。

從圖3可觀察到焊接接頭的斷口與受力主方向的夾角均為45°，斷口處均有較明顯的縮頸現(xiàn)象且無(wú)明亮的小顆粒出現(xiàn)，斷口呈纖維狀，由此可知拉伸試樣的斷裂模式應(yīng)為韌性斷裂。

2.3 彎曲性能

每種焊接試板需制備出橫向取樣的2個(gè)正彎樣品和2個(gè)背彎樣品，彎曲壓頭直徑為110mm、支輥間距離為134mm、彎曲角度為180°；試驗(yàn)設(shè)備為日本島津公司生產(chǎn)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)備型號(hào)為AG-X 250KN。彎曲試樣宏觀照片見圖4，可以看出試樣彎曲到180°后，其表面無(wú)超過(guò)3mm的裂紋出現(xiàn)，這說(shuō)明補(bǔ)焊后接頭處均有良好的塑性，且試樣的彎曲性能不受補(bǔ)焊次數(shù)的影響。

2.4 硬度性能

以焊縫中心為零點(diǎn)，向兩側(cè)對(duì)稱取點(diǎn)。間距步進(jìn)為1mm，載荷停留時(shí)間為10s～30s，加載載荷選取HV1。試驗(yàn)設(shè)備為日本FT公司生產(chǎn)的維氏硬度計(jì)，設(shè)備型號(hào)為L(zhǎng)V-FV-810。圖5為熔接接頭處的顯微維氏硬度分布特征。

由圖5可知，3種不同補(bǔ)焊次數(shù)的熔焊接頭的硬度分布特征均為W形，這說(shuō)明6060-T6熔焊接頭的硬度分布不均勻且都發(fā)生軟化現(xiàn)象。此現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能為6060鋁合金是可熱處理強(qiáng)化鋁合金，接頭處各區(qū)經(jīng)受不同的熱循環(huán)和應(yīng)變循環(huán)作用后，熱影響區(qū)晶粒再結(jié)晶后變得粗大化，導(dǎo)致硬度值下降。熔合區(qū)和焊縫中心會(huì)有鑄態(tài)的樹枝狀晶和柱狀晶出現(xiàn)，這兩種組織的成長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致硬度值下降。3種類型接頭處的硬度值相差不大，其硬度值均處于60HV～120HV之間且熱影響區(qū)硬度低于其他區(qū)域。此外，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，其軟化區(qū)域范圍逐漸擴(kuò)大，未補(bǔ)焊的軟化區(qū)域?yàn)?4mm，一次補(bǔ)焊的軟化區(qū)域?yàn)?5mm，二次補(bǔ)焊的軟化區(qū)域?yàn)?7mm，其硬度值最低點(diǎn)也向母材方向擴(kuò)展，這是因?yàn)殡S著接頭處經(jīng)受的補(bǔ)焊次數(shù)增多，熱影響區(qū)經(jīng)受的熱輸入也會(huì)增加，接頭處發(fā)生再結(jié)晶的范圍逐漸擴(kuò)大。

2.5 金相組織

本次金相試驗(yàn)的腐蝕方法為，使用10%的NaOH溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間不超過(guò)5min。圖6為3種不同補(bǔ)焊次數(shù)6060-T6熔焊接頭的宏觀形貌結(jié)果。

可以看出，焊縫中無(wú)超標(biāo)缺陷，這說(shuō)明焊縫質(zhì)量較好。隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，熔寬逐漸增大，這是因?yàn)楸敬卧囼?yàn)在挖補(bǔ)焊縫寬度時(shí)，焊縫外形不規(guī)則，有少量填充金屬在挖補(bǔ)時(shí)被殘留下來(lái)形成的。

3 結(jié)論

(1)采用本文設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接后，6060鋁合金接頭處的拉伸性能和彎曲性均能符合標(biāo)準(zhǔn)，但焊后接頭處均發(fā)生軟化現(xiàn)象，補(bǔ)焊次數(shù)不會(huì)對(duì)拉伸性能和彎曲性能造成較大影響。

(2)補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)接頭處硬度值不會(huì)產(chǎn)生較大影響，且隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，軟化區(qū)域逐漸擴(kuò)大。因此在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，需注意擴(kuò)大檢驗(yàn)范圍，檢測(cè)兩次補(bǔ)焊的焊縫時(shí)距焊縫中心向兩端母材應(yīng)至少擴(kuò)檢25mm。

(3)使用MIG焊接6060鋁合金過(guò)程中，可以通過(guò)補(bǔ)焊來(lái)提高生產(chǎn)效率，但不宜超過(guò)兩次。