6082-T6鋁合金等離子-CMT復(fù)合熱源焊接特性研究

趙函　辛志彬　楊志斌

摘要：以6 mm厚6082-T6鋁合金為試驗(yàn)?zāi)覆拈_(kāi)展等離子-CMT復(fù)合焊接試驗(yàn)，分析焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律，以及接頭的組織特征、硬度分布及拉伸性能。獲得最優(yōu)焊接工藝參數(shù)為：等離子電流130 A、送絲速度8 m/min、焊接速度50 cm/min，等離子氣流量7 L/min。焊縫中心組織主要為等軸晶，熱影響區(qū)較窄且硬度值最低，接頭平均抗拉強(qiáng)度達(dá)228.4 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的77.4%，斷裂位置在焊接接頭的熱影響區(qū)，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

關(guān)鍵詞：鋁合金;等離子-CMT復(fù)合焊接;組織特征;硬度分布;拉伸性能

中圖分類號(hào)：TG457.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0103-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.18

0 前言

鋁合金因具有比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕性能強(qiáng)、適于加工等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、船舶制造等諸多領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的MIG焊接方法進(jìn)行鋁合金焊接時(shí)，由于其線能量較大，導(dǎo)致焊接變形大、接頭軟化嚴(yán)重等突出問(wèn)題[2]。等離子-MIG復(fù)合焊兼具等離子弧焊和MIG焊的優(yōu)勢(shì)，可有效降低焊接線能量，減小焊接變形[3-4]。

CMT（冷金屬過(guò)渡）焊作為一種新型MIG焊方法，在降低焊接熱輸入方面更具優(yōu)勢(shì)。等離子-CMT復(fù)合焊在鋁合金的焊接上體現(xiàn)出焊接變形小、焊接效率高、焊縫成形好、焊接適應(yīng)性強(qiáng)、焊接飛濺少的技術(shù)特點(diǎn)[5]。但是，現(xiàn)階段鮮有關(guān)于鋁合金等離子-CMT復(fù)合焊研究的文獻(xiàn)報(bào)道。

本文以6 mm厚6082-T6鋁合金為試驗(yàn)?zāi)覆模_(kāi)展了等離子-CMT復(fù)合焊工藝試驗(yàn)研究，并分析焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，以及接頭的組織特征、硬度分布和拉伸性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?082-T6鋁合金，尺寸為200 mm×150 mm×6 mm，接頭形式為對(duì)接。采用直徑1.2 mm的ER5356鋁鎂焊絲為填充材料，用純度為99.999%的氬氣作為焊接保護(hù)氣與等離子工作氣體。6082-T6鋁合金的化學(xué)成分如表1所示。

試驗(yàn)采用旁軸式等離子-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)（CMT模式）。焊接過(guò)程中使用等離子控制柜對(duì)等離子弧進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與控制。保護(hù)氣體流量為20 L/min。采用一體式復(fù)合焊槍，焊接時(shí)等離子在前、CMT在后，等離子弧與試件表面垂直，焊絲與試件夾角約60°，試件裝配間隙1 mm，焊接過(guò)程示意如圖1所示。焊接工藝參數(shù)范圍如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接工藝參數(shù)的選擇

基于前期等離子-MIG焊接6082-T6鋁合金試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)及查閱相關(guān)文獻(xiàn)可確定6082-T6鋁合金等離子-CMT焊接工藝參數(shù)如表3所示。按焊縫的熔透程度分為熔透與未熔透。此外，還要觀察焊縫的正面成形情況，如是否焊接連續(xù)、是否有明顯魚鱗紋等[6]。綜合以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同參數(shù)下焊縫的表面成形情況進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果如表4所示。

結(jié)合表4可知，當(dāng)保持其他參數(shù)不變，焊接速度過(guò)快時(shí)，熱輸入量減小，焊縫出現(xiàn)未熔透現(xiàn)象，且因單位長(zhǎng)度焊縫內(nèi)達(dá)到的熔滴數(shù)量減少而出現(xiàn)明顯的魚鱗紋。當(dāng)其他參數(shù)不變，送絲速度過(guò)慢時(shí)，熔化的液態(tài)焊絲未及時(shí)送達(dá)熔池，熔敷能力降低，焊縫出現(xiàn)咬邊、燒穿等缺陷;當(dāng)?shù)入x子電流130 A、送絲速度8 m/min、焊接速度50 cm/min、等離子氣流量7 L/min，試件被完全熔透，焊縫正面成形連續(xù)。

為了進(jìn)一步確定最佳焊接工藝參數(shù)，選取焊縫成形較好的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示，當(dāng)?shù)入x子電流130 A、送絲速度8 m/min、焊接速度50 cm/min、等離子氣流量7 L/min時(shí)，平均抗拉強(qiáng)度約為228.4 MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的77.4%。通過(guò)試驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)，拉伸試件的斷裂位置均在焊接接頭的熱影響區(qū)。由此可見(jiàn)，熱影響區(qū)位置的力學(xué)性能相對(duì)較差。

2.2 焊縫組織分布特征

圖2a為母材的微觀形貌，其微觀結(jié)構(gòu)為原始軋制狀態(tài)組織，組織分布較為均勻。圖2b為在低倍顯微鏡下熔合區(qū)的微觀形貌，可看到位于焊縫與熱影響區(qū)之間的熔合區(qū);位于熔合線左側(cè)的熱影響區(qū)較窄，并且未出現(xiàn)特別明顯的晶粒粗化現(xiàn)象。圖2c為高倍顯微鏡下熔合區(qū)的微觀形貌，可觀察到熔合區(qū)靠近焊縫區(qū)一側(cè)的組織多為等軸晶組織，晶粒大小不均勻，沿焊縫散熱方向還存在少量柱狀晶。熱影響區(qū)的晶粒受熔合區(qū)的熱傳導(dǎo)作用被快速加熱到再結(jié)晶溫度，導(dǎo)致熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大，組織分布不均勻，力學(xué)性能較差。

圖2d與圖2e分別為焊縫中心上部與底部區(qū)域的微觀形貌，焊縫中心區(qū)域出現(xiàn)大量等軸晶，且焊縫中心晶粒的取向與熔合線附近的晶粒取向存在很大差別，基本毫無(wú)規(guī)律可言。焊縫中部的晶粒較上部晶粒粗大，而底部晶粒較為細(xì)小，這是由于在進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)，試件底部與夾具銅板接觸而熱傳導(dǎo)較快，冷卻速度較快，高溫停留時(shí)間短于焊縫中上部區(qū)域，因此，焊縫底部的晶粒尺寸明顯小于焊縫上部寸。

2.3 焊縫硬度分布及拉伸試驗(yàn)結(jié)果

6082-T6鋁合金等離子-CMT復(fù)合焊接接頭的顯微硬度分布如圖3所示?？梢钥闯?，6082-T6鋁合金的顯微硬度均以焊縫為中心向兩側(cè)近似對(duì)稱分布，其中母材硬度最高，為93.3 HV，焊縫中心硬度低于母材，為74.5 HV。熔合區(qū)硬度最低，為68.4 HV，且越靠近熔合線，顯微硬度越低，硬度分布變化整體呈現(xiàn)“W”型。

拉伸試樣斷裂位置如圖4所示，拉伸斷口呈45°角，表面為灰暗色。掃描電鏡下拉伸斷口的微觀形貌如圖5所示，焊縫區(qū)域存在著大量被拉伸的韌窩，綜合其斷口宏觀形貌可以判斷拉伸試樣為韌性斷裂。

3 結(jié)論

本文對(duì)等離子-CMT焊接開(kāi)展研究，對(duì)6 mm厚6082-T6鋁合金板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，接頭形式采用對(duì)接接頭，開(kāi)展焊接工藝試驗(yàn)，分析了接頭的宏觀形貌觀察、微觀組織特征、顯微硬度分布及拉伸性能，得出以下結(jié)論：

（1）6 mm厚6082鋁合金等離子-CMT復(fù)合焊接接頭的最佳焊接參數(shù)為等離子電流130 A、送絲速度8 m/min、焊接速度50 cm/min，等離子氣流量7 L/min。

（2）6082鋁合金等離子-CMT復(fù)合焊接接頭的焊縫中心組織為等軸晶;熱影響區(qū)較窄，晶粒粗化的現(xiàn)象不明顯。熔合區(qū)分布著少量柱狀晶，組織不均勻。

（3）6082-T6鋁合金母材的顯微硬度最高，約為93.3 HV;焊縫中心的顯微硬度次之，約為74.5 HV;熔合區(qū)的顯微硬度最低，約為68.4 HV。

（4）在最佳工藝參數(shù)下，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)228.4 MPa，約占母材抗拉強(qiáng)度的77.4%。拉伸試樣斷口位于焊縫熱影響區(qū)，為韌性斷裂特征。

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