不同打磨狀態(tài)對6005A-T6鋁合金MIG焊接頭組織及力學(xué)性能的影響

陳剛輝　張向鈞　路偉

摘要：對坡口和表面經(jīng)過三種不同焊前打磨狀態(tài)——不打磨、半打磨、全打磨的6005A-T6鋁合金中空型材焊接接頭的微觀組織、基本力學(xué)性能和疲勞性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：三種焊前打磨方法均可獲得外觀良好的焊接接頭;三種打磨狀態(tài)接頭的焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的微觀金相組織無明顯差異;三種接頭的拉伸性能基本相同，抗拉強(qiáng)度均值、斷后伸長率均值差異不大，彎曲性能均良好;三種接頭的硬度分布規(guī)律相似，S-N曲線擬合疲勞極限相同，均為89 MPa。這說明三種焊前不同打磨方法對6005A-T6鋁合金中空型材焊接接頭的微觀組織、基本力學(xué)性能和疲勞性能影響不大。

關(guān)鍵詞：打磨狀態(tài);6005A-T6鋁合金;雙脈沖MIG自動焊;微觀組織;拉伸性能

中圖分類號：TG441.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0089-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.18

0 前言

6005A-T6鋁合金為Al-Mg-Si系鋁合金，具有中等強(qiáng)度、擠壓性好、焊接性好、耐蝕性良好等特點(diǎn)，適于制造車體主體結(jié)構(gòu)用的復(fù)雜截面多孔中空型材，因此作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料廣泛用于高速列車、城際動車和地鐵列車等軌道交通車輛車體的生產(chǎn)制造上[1-4]。目前6005A-T6鋁合金主要應(yīng)用在軌道車輛車體的車頂、側(cè)墻、地板上和底架等大部件上[5]。高速列車、城際動車等車廂一節(jié)長約25 m，側(cè)墻和頂棚正反面共32條長直焊縫，地板正反面有12條長直焊縫，車體各大部件總成組裝有8條長直焊縫，合計長度近1 300 m。焊前需要對這些焊縫坡口及坡口附近區(qū)域進(jìn)行人工打磨處理，以清除鋁合金表面氧化膜，打磨強(qiáng)度高、工作量巨大。因此，為提高企業(yè)生產(chǎn)效率、降低勞動強(qiáng)度，節(jié)約時間成本和人力成本，有必要研究6005A-T6鋁合金型材表面焊前不同打磨狀態(tài)對其焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響，從而為鋁合金現(xiàn)場焊接前處理工藝的制定提供指導(dǎo)，具有重要的工程實(shí)際意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及焊接工藝

試驗材料為6005A-T6鋁合金中空型材，板厚為3 mm，單邊坡口角度35°，鈍邊1 mm，拼接后形成70°標(biāo)準(zhǔn)V 型坡口，自帶強(qiáng)制成型墊板，如圖1所示。

焊接方法為雙脈沖MIG自動焊，焊接位置為平焊，單道焊接成形。焊機(jī)采用福尼斯 TPS5000 全數(shù)字化 MIG 焊機(jī)，焊絲為直徑1.2 mm的ER5356鋁鎂焊絲，焊接保護(hù)氣為高純氬。型材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

1.2 試驗方法

由于鋁合金型材表面存在氧化膜，焊前分別對對型材坡口進(jìn)行不打磨、半打磨和全打磨三種狀態(tài)的處理。不打磨是指對型材組對坡口斜表面和型材表面均不打磨就進(jìn)行焊接;半打磨是指型材斜坡口不打磨，而型材組對后對型材表面進(jìn)行打磨后再進(jìn)行焊接;全打磨是指型材組對前先對斜坡口表面進(jìn)行打磨，組對后再對型材表面進(jìn)行打磨后再進(jìn)行焊接，三種狀態(tài)均采用有機(jī)溶劑擦拭去除油污。不同打磨狀態(tài)下的焊縫宏觀形貌如圖2所示，焊縫成形均良好。

中空型材焊接完成后用線切割方法將焊接試件加工成金相組織試樣和力學(xué)性能試樣。根據(jù)GB/T

26955-2011《金屬材料焊縫破壞性試驗-焊縫宏觀和微觀檢驗》進(jìn)行金相觀察，腐蝕液采用混合酸，體積比為HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶1.5∶2.5∶95，所用蔡司光學(xué)顯微鏡型號為AX10 ZEISS。拉伸和彎曲試驗所用設(shè)備為DNS300微機(jī)控制電子萬能試驗拉伸機(jī)，拉伸試驗參照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》和GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進(jìn)行，彎曲試驗參照GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進(jìn)行。拉伸速度3 mm/min，彎心直徑20 mm，彎曲角度180°。維氏硬度試驗參照GB/T 4340.1-2009《金屬材料-維氏硬度試驗-第1部分：試驗方法》進(jìn)行，采用HVS-30D維氏硬度計，測點(diǎn)間隔1 mm，測量載荷1 kg，載荷持續(xù)時間15 s。疲勞試驗參照GB/T 3075-2008《金屬材料疲勞試驗-軸向應(yīng)力控制方法》進(jìn)行，采用QBG-100高頻疲勞試驗機(jī)，應(yīng)力比R=0，正弦波加載載荷，疲勞試樣為將焊縫打磨至與母材平齊的平滑試樣。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 接頭金相組織觀察與硬度分析

6005A-T6鋁合金不同焊前打磨狀態(tài)下的鋁合金焊接接頭焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)金相組織如圖3～圖5所示?？梢钥闯?，焊縫區(qū)熱輸入高，焊絲被完全熔化，凝固速度緩慢，晶粒能夠自然生長，為典型的鑄態(tài)組織，呈現(xiàn)出網(wǎng)狀枝晶組織形態(tài)。主要以α（Al）固溶體為基體，晶界及枝晶間主要分布有α+Mg的共晶組織;熔合區(qū)靠近焊縫一側(cè)為沿散熱方向以聯(lián)生結(jié)晶形式形成的柱狀晶組織，靠近基體一側(cè)則為等軸晶組織;熱影響區(qū)則仍保持大部分母材的特征，但部分晶粒要比母材晶粒粗大，由于偏析等原因，晶界處有強(qiáng)化相析出，彌散分布有大小和形狀不同的第二相[6-8]。對比不同區(qū)域金相組織可以發(fā)現(xiàn)，三種不同打磨狀態(tài)下的焊接接頭的金相組織形貌特征并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變，也未出現(xiàn)有異常的組織或者焊接缺陷，說明焊前型材表面和坡口是否打磨并不會改變或影響接頭的金相顯微組織特征，這與文獻(xiàn)[9]的試驗結(jié)果相同。

不同焊前打磨狀態(tài)的6005A-T6鋁合金焊接接頭硬度測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，三種焊前打磨條件下的接頭硬度曲線形狀相似，分布規(guī)律相近，均呈現(xiàn)出隨著遠(yuǎn)離焊縫中心，由焊縫區(qū)過渡到熱影響區(qū)淬火區(qū)硬度值升高，由熱影響區(qū)淬火區(qū)過渡到熱影響區(qū)過時效區(qū)（軟化區(qū)）硬度值降低，軟化區(qū)硬度值最低點(diǎn)在距離焊縫中心約±10 mm處，由軟化區(qū)到母材區(qū)硬度值急劇升高直至母材區(qū)趨于平穩(wěn)。因此，焊前6005A-T6鋁合金型材表面和坡口是否打磨不會影響焊后接頭硬度的分布規(guī)律。

2.2 接頭拉伸與彎曲試驗結(jié)果與分析

6005A-T6鋁合金不同焊前打磨狀態(tài)焊接接頭的拉伸試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知，焊前半打磨、全打磨和未打磨6005A-T6鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值分別為206 MPa、204 MPa和201 MPa，未打磨的平均值最低，但差距不大，都在測試誤差范圍內(nèi)，說明型材焊前表面和坡口是否打磨基本不會明顯影響焊后接頭的抗拉強(qiáng)度。焊前半打磨、全打磨和未打磨的6005A-T6鋁合金焊接接頭的斷后伸長率平均值分別為7.79%、7.31%和7.43%，半打磨的平均值最大，未打磨的次之，全打磨的最低，但差距不大，因此型材焊前表面和坡口是否打磨并不影響焊后接頭的拉伸性能和斷后伸長率。

經(jīng)過彎曲性能試驗發(fā)現(xiàn)，6005A-T6鋁合金三種不同焊前打磨狀態(tài)焊接接頭的面彎和背彎（每種狀態(tài)下均取3個試樣）性能均良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋和開裂現(xiàn)象。這說明6005A-T6鋁合金型材焊前表面和坡口是否打磨并不影響焊后接頭的彎曲性能。

2.3 疲勞性能試驗結(jié)果及分析

疲勞試驗在QBG-100高頻疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 3075-2008《金屬材料疲勞試驗軸向應(yīng)力控制方法》，采用軸向拉-拉加載方式，循環(huán)應(yīng)力比R=0，加載頻率根據(jù)試驗機(jī)和試樣尺寸自行確定，循環(huán)應(yīng)力最高加載次數(shù)為1×107周次。加載應(yīng)力等級分別為140 MPa、130 MPa、120 MPa、110 MPa、100 MPa、91.8 MPa和89 MPa。約定在 1×107周次循環(huán)時仍未起裂的應(yīng)力范圍為條件疲勞極限。三種不同打磨狀態(tài)下6005A-T6鋁合金焊接頭接頭的S-N曲線如圖7所示。由圖7可知，不打磨、半打磨和全打磨接頭的S-N曲線擬合獲得的疲勞極限均為89 MPa，表明焊前是否打磨型材表面和坡口不影響接頭的疲勞性能。

3 結(jié)論

（1）6005A-T6鋁合金型材焊前半打磨、全打磨和不打磨狀態(tài)下均可獲得可靠的焊接接頭。焊前型材表面和坡口是否打磨基本不影響其焊接接頭的微觀組織及拉伸、彎曲、硬度等基本力學(xué)性能。

（2）6005A-T6鋁合金型材焊前半打磨、全打磨和不打磨狀態(tài)下鋁合金MIG焊接頭S-N曲線擬合獲得的疲勞極限相同，均為89 MPa，表明焊前型材表面和坡口是否打磨基本不影響接頭疲勞性能。

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