不同焊接方法對(duì)6xxx系鋁合金熱影響區(qū)的影響

金 鑫，谷 晗，林傳冬，齊芃芃，吳振國(guó)，李美玲

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司， 遼寧 遼陽(yáng) 111000)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，軌道車體輕量化、高速運(yùn)行已經(jīng)成為現(xiàn)代化軌道交通的重要標(biāo)志，提高運(yùn)行速度首先就要減輕車身重量，鋁合金材料具有大的比強(qiáng)度、大比剛度、大比熱容、大熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、良好的拉伸性能以及較好的耐腐蝕性等特點(diǎn)，決定了其焊接時(shí)應(yīng)采用能量集中的焊接方法[1]。6005A鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，是一種中等強(qiáng)度鋁合金，被廣泛應(yīng)用于高速列車。本文主要采用激光填絲焊、激光-MIG復(fù)合焊、激光-CMT復(fù)合焊、自動(dòng)MIG焊、自動(dòng)CMT焊5種焊接工藝方法對(duì)6005A 鋁合金進(jìn)行焊接，對(duì)其進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，觀察判斷熱影響區(qū)寬度范圍，并對(duì)金相顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑?mm厚6005A鋁合金延壓板材，試板尺寸為300 mm×150 mm×3 mm，焊絲為Φ1.2mm的ER5087焊絲。母材6005A-T6鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.65，Mg 0.70，F(xiàn)e 0.35，Cu 0.30，Mn 0.50，Cr 0.30，Zn 0.20，Al余量；其力學(xué)性能為，Rp0.2為241.8MPa，Rm為305.4MPa，A為11.2%。

1.2 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備采用德國(guó)通快Trudisk 8002碟片式激光器，TRUMPF BEO D70激光頭，通快直徑200um光纖，福尼斯Magic Wave4000送絲機(jī)構(gòu)，福尼斯焊機(jī)。焊接機(jī)器人為KUKA公司生產(chǎn)的KR90六軸機(jī)器人，采用99.99%純度氬氣保護(hù)。

1.3 試驗(yàn)方法

焊前采用機(jī)械打磨方法將焊縫兩側(cè)25mm范圍內(nèi)進(jìn)行表面清理去除表面氧化膜及油污等雜質(zhì)，清理后的試驗(yàn)板要立即進(jìn)行焊接，防止母材長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中再次形成氧化膜，對(duì)焊接完成的試驗(yàn)板進(jìn)行維氏硬度、拉伸性能測(cè)試以及微觀組織觀察分析。試驗(yàn)參數(shù)見表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 5種焊接工藝焊縫成型

圖1中(a)(b)(c)(d)(e)分別為激光填絲焊、激光-MIG復(fù)合焊、激光-CMT復(fù)合焊、自動(dòng)MIG焊、自動(dòng)CMT焊5種焊接工藝方法的焊縫表面成型狀態(tài)，可以看出，焊縫表面成型良好、均勻美觀，表面無(wú)飛濺產(chǎn)生，無(wú)咬邊、未焊透、下榻等缺陷出現(xiàn)；激光填絲焊余高及熔寬最小，激光-MIG復(fù)合焊、激光-CMT復(fù)合焊次之，自動(dòng)MIG焊、自動(dòng)CMT焊余高均較高、熔寬較大。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖2中(a)(b)(c)(d)(e)分別為5種焊接工藝方法的斷面金相全拼圖，將試樣件采用10%NaOH進(jìn)行腐蝕，通過(guò)觀察可以清楚地看到母材與焊絲熔合良好，焊縫呈現(xiàn)V型，焊縫成型過(guò)渡較好。

2.2 金相顯微組織分析

使用蔡司M2m光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭不同位置進(jìn)行金相觀察，圖3(a)(b)(c)(d)(e)分別為激光填絲焊、激光-MIG復(fù)合焊、激光-CMT復(fù)合焊、自動(dòng)MIG焊、自動(dòng)CMT焊5種焊接工藝方法焊接接頭焊縫處200X的金相顯微組織，焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)組織，呈網(wǎng)狀枝晶組織形態(tài)。從圖中可以看出，激光填絲焊的焊縫組織更加細(xì)小，這是由于激光填絲焊的焊接熱輸入小，有利于組織細(xì)化，并且鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，焊縫凝固速度快，熔池快速形成并快速凝固結(jié)晶，形成更加細(xì)小的網(wǎng)狀枝晶組織；相比于自動(dòng)MIG、自動(dòng)CMT焊，激光-MIG復(fù)合焊以及激光-CMT復(fù)合焊焊縫組織更加細(xì)小，這是由于復(fù)合焊時(shí)激光與電弧共同作用，使得熔池金屬攪拌得更加均勻，并且復(fù)合焊的熔池小、冷卻速度快，焊接熱輸入小于MIG焊及CMT焊，因此復(fù)合焊中共晶相相比于MIG焊、CMT焊尺寸小且更加彌散分布。

圖4(a)(b)(c)(d)(e)分別為5種焊接工藝焊接接頭熔合線處200X的金相顯微組織，從金相組織可以看出，熔合區(qū)柱狀晶明顯長(zhǎng)大，方向性較強(qiáng)，熔合區(qū)溫度梯度較大，沿著散熱較快方向的反向晶粒長(zhǎng)大速度較快，即借助半熔化的晶粒形核，沿垂直于熔合線方向發(fā)生聯(lián)生柱狀晶粒生長(zhǎng)[2]，相比于其他幾種焊接工藝，自動(dòng)MIG焊、自動(dòng)CMT焊熔合區(qū)組織更加粗大。

2.3 顯微硬度分析

按照GB/T2654-2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》制備硬度試樣，儀器采用FV-810維氏顯微硬度計(jì)，從焊縫中心向兩側(cè)每隔1mm打一個(gè)點(diǎn)，每側(cè)20個(gè)點(diǎn)，5種焊接工藝方法的焊接接頭顯微硬度分布曲線如圖5所示。

從顯微硬度曲線可以看出，5種焊接工藝方法軟化區(qū)處硬度最低，說(shuō)明在熱影響區(qū)處存在比較明顯的軟化區(qū)，該區(qū)域晶粒組織粗大，導(dǎo)致力學(xué)性能降低，母材硬度均達(dá)到110HV以上，焊縫處硬度在母材和熱影響區(qū)之間，硬度起伏在5HV之間。從圖中可以看出，激光填絲焊的熱影響區(qū)寬度最小，為3mm～4mm，激光-MIG復(fù)合焊的熱影響區(qū)寬度為5mm～7mm，激光-CMT復(fù)合焊的熱影響區(qū)寬度為6mm～7mm，自動(dòng)MIG焊的熱影響區(qū)寬度為7mm～9mm，自動(dòng)CMT焊的熱影響區(qū)寬度為8mm～10mm。

焊接熱輸入的大小是熱影響區(qū)寬度的決定性因素，當(dāng)熱輸入大時(shí)，熱影響區(qū)則寬；熱輸入小時(shí)，熱影響區(qū)則窄。

2.4 焊接接頭力學(xué)性能分析

對(duì)5種焊接工藝方法的試件進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，根據(jù)GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣件，使用島津AG-X 100KNH型電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橫向拉伸實(shí)驗(yàn)。激光填絲焊的平均抗拉強(qiáng)度最高，激光-MIG復(fù)合焊、激光-CMT復(fù)合焊抗拉強(qiáng)度大于MIG焊及CMT焊，小于激光填絲焊。斷裂位置均為焊縫熱影響區(qū)，因?yàn)?005A為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，熱影響區(qū)組織晶粒粗大，硬度較低，該區(qū)域又被稱為軟化區(qū)。自動(dòng)MIG、自動(dòng)CMT焊抗拉強(qiáng)度較低是由于熱影響區(qū)晶粒相比于其他焊接方法更加粗大。

復(fù)合焊的抗拉強(qiáng)度要高于單MIG焊、單CMT焊，這是因?yàn)榧す?MIG復(fù)合焊接熔深大，熱輸入少于常規(guī)MIG焊接，熱影響區(qū)力學(xué)性能下降較小。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，拉伸試樣如圖6所示。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)不同的焊接工藝方法對(duì)應(yīng)著不同的焊接熱輸入，5種焊接工藝方法的熱輸入由小到大依次為：激光填絲焊<激光-MIG復(fù)合焊<激光-CMT復(fù)合焊<自動(dòng)MIG焊<自動(dòng)CMT焊。

(2)焊縫區(qū)為典型的鑄態(tài)組織，呈網(wǎng)狀枝晶組織形態(tài)，熔合區(qū)柱狀晶明顯長(zhǎng)大，方向性較強(qiáng)，當(dāng)焊接熱輸入小時(shí)，冷卻速度快，晶粒生長(zhǎng)較??；熱輸入大時(shí)，冷卻速度慢，晶粒長(zhǎng)大變粗，熱輸入的大小決定著焊縫組織粗細(xì)，焊縫區(qū)組織由小到大依次為：激光填絲焊<激光-MIG復(fù)合焊<激光-CMT復(fù)合焊<自動(dòng)MIG焊<自動(dòng)CMT焊。

(3)焊接熱輸入的大小是決定熱影響區(qū)寬度的主要原因，焊接熱輸入小，熱影響區(qū)寬度就小，軟化程度?。缓附訜彷斎氪?，熱影響區(qū)則寬，軟化程度大，熱影響區(qū)寬度由小到大依次為：激光填絲焊<激光-MIG復(fù)合焊<激光-CMT復(fù)合焊<自動(dòng)MIG焊<自動(dòng)CMT焊。

(4)激光填絲焊的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到母材的84%，激光-MIG復(fù)合焊、激光-CMT復(fù)合焊次之，分別為母材的79%和78%，力學(xué)性能相差不大，自動(dòng)MIG焊、自動(dòng)CMT焊最小，分別為母材的74%和75%。