6061鋁合金焊接接頭液化裂紋分析

崔云龍, 汪認, 張世欣, 張仁航

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

0 前言

6xxx系鋁合金為可熱處理強化鋁合金,具有中等強度和良好的成形能力,耐腐蝕性能優(yōu)異,在軌道交通車輛鋁合金車體的底架、車頂、側(cè)墻等大部件結(jié)構(gòu)上得到了普遍應(yīng)用[1-2]。6xxx系鋁合金具有一定的焊接裂紋敏感性,其焊接接頭容易產(chǎn)生熱裂紋,6xxx系鋁合金焊接裂紋的研究對提升接頭質(zhì)量有重要意義[3-4]。

在地鐵車體某結(jié)構(gòu)焊接工藝試驗過程中,4 mm厚6061鋁合金角接接頭發(fā)現(xiàn)大量裂紋,裂紋缺陷對結(jié)構(gòu)的安全可靠性造成了重大隱患。為了解決此問題,試驗針對該焊接接頭的金相組織、裂紋斷口形貌、焊接工藝等進行研究,確定裂紋的性質(zhì),分析裂紋產(chǎn)生的機理及影響因素,提出解決措施。

1 缺陷概況

1.1 試驗材料及焊接工藝

試驗材料為4 mm厚6061P-T6鋁合金,其中“P”表示材料為板材,“T6”表示材料的熱處理狀態(tài)為固溶處理后進行人工時效。焊接方法為MIG焊,所用填充材料為直徑1.2 mm的ER5356焊絲。接頭形式為普通角接接頭,試板不開坡口、不留間隙,采用PB位置進行焊接,焊縫單道焊接成形,焊接參數(shù)為:焊接電流為140 A,電弧電壓為21.0 V,焊接速度為7 mm/s,電弧修正系數(shù)為0。

1.2 裂紋缺陷

焊后待接頭溫度冷卻至室溫,對接頭依次進行外觀檢測、滲透探傷和宏觀金相檢測。接頭無損檢測結(jié)果良好,焊縫正面成形美觀,沒有發(fā)現(xiàn)表面缺陷,但在后續(xù)宏觀金相檢測過程中發(fā)現(xiàn)焊接接頭存在大量裂紋缺陷。

裂紋的宏觀形貌如圖1所示(見實線箭頭)?？梢?裂紋均分布于靠近焊縫的熱影響區(qū),裂紋到熔合線的距離不超過0.6 mm。

圖1 裂紋的宏觀形貌

根據(jù)焊縫形狀,將接頭熱影響區(qū)劃分為3個區(qū)域,焊縫下側(cè)位于平板的熱影響區(qū)為區(qū)域1,焊縫左側(cè)位于立板的熱影響區(qū)為區(qū)域2,焊縫上側(cè)位于立板的熱影響區(qū)為區(qū)域3。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):95%的試樣在區(qū)域1發(fā)現(xiàn)裂紋,裂紋呈條帶狀分布,大部分的裂紋肉眼可見,最長的裂紋長度超過5 mm;10%的試樣在區(qū)域2發(fā)現(xiàn)裂紋,裂紋短小,長度僅0.2~0.4 mm;所有的試樣在區(qū)域3都沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

按照裂紋形成的原因及機理可將裂紋分為:熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕裂紋[5]。從原理上講,鋁合金焊接接頭可能產(chǎn)生熱裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋,而本試驗的焊接接頭未在腐蝕介質(zhì)中長時間存放,因此可以排除應(yīng)力腐蝕裂紋。宏觀金相顯示裂紋均位于熱影響區(qū),由此可以確定該裂紋缺陷為熱裂紋中的液化裂紋。

2 裂紋缺陷分析

2.1 焊接工藝

測量角焊縫尺寸,結(jié)果顯示焊角a值為5.3~5.5 mm,遠高于該結(jié)構(gòu)的最低尺寸要求3 mm,焊角尺寸過大說明焊接所用工藝參數(shù)偏大,而過高的焊接熱輸入容易誘發(fā)鋁合金接頭產(chǎn)生熱裂紋。試驗中機械手控制的焊槍其中心線正對角焊縫根部,但所有的角焊縫中心線均向上偏離(見圖1虛線箭頭),角焊縫中心線與角焊縫根部的夾角為20°~30°,此現(xiàn)象與電弧的磁偏吹有關(guān)。

試驗中地線接于平板,根據(jù)右手螺旋定則確定磁場方向,電弧周圍磁場分布如圖2所示。焊槍與平板間的磁場相互疊加,磁力線密度明顯大于其他區(qū)域,電弧磁偏吹規(guī)律表現(xiàn)為電磁力把電弧從磁力線密集的一側(cè)推向磁力線稀疏的一側(cè),導(dǎo)致電弧向上偏吹進而導(dǎo)致角焊縫中心線向上偏離[6]。

圖2 接頭的磁場分布

2.2 接頭顯微組織

圖3為接頭的顯微組織形貌。圖3a為母材的顯微組織,母材的晶粒粗大,形狀呈長條形,晶粒內(nèi)彌散分布有大量Mg2Si相顆粒,其尺寸可達10~20 μm。圖3b為區(qū)域1的顯微組織,與母材對比可知熱影響區(qū)組織受焊接熱作用發(fā)生晶界液化,距熔合線0.6 mm范圍內(nèi)晶界液化顯著,裂紋沿晶界分布、擴展,晶粒內(nèi)Mg2Si相聚集長大。將區(qū)域1顯微組織進一步放大進行觀測,在圖3c中可以發(fā)現(xiàn)晶粒內(nèi)存在亞晶(見箭頭)和環(huán)繞在α(Al)+Mg2Si共晶周圍的貧溶質(zhì)α(Al)相(見白色圓圈)。

圖3 接頭的顯微組織

裂紋在熱影響區(qū)沿晶界分布、擴展,證明此裂紋是液化裂紋。當(dāng)熱影響區(qū)組織的溫度達到共晶溫度TE時,Mg2Si相和α(Al)相發(fā)生共晶反應(yīng),生成α(Al)+Mg2Si共晶液相;當(dāng)溫度達到共晶溫度TE以上時共晶液相周圍的基體α(Al)相會進一步發(fā)生溶解,生成亞共晶液相。亞共晶成分液相在冷卻過程中先析出貧溶質(zhì)α(Al)相再析出共晶相,由此形成圖2c中α(Al)+Mg2Si共晶外圍環(huán)繞貧溶質(zhì)α(Al)相的結(jié)構(gòu)[7]。熱影響區(qū)晶粒內(nèi)部及晶界處存在大量貧溶質(zhì)α(Al)相顯示熱影響區(qū)組織受焊接熱作用長時間處于共晶溫度TE以上,進一步證明該試驗所用焊接參數(shù)偏大。

鋁合金材料在熱加工過程中晶粒沿變形方向伸長,伴隨著動態(tài)回復(fù)晶粒內(nèi)部會產(chǎn)生大量亞晶結(jié)構(gòu)。在固溶過程中隨著無畸變晶粒的成核、長大,亞晶結(jié)構(gòu)會消失于再結(jié)晶晶粒中[8]。熱影響區(qū)組織包含大量亞晶結(jié)構(gòu),說明試驗所用6061P-T6鋁合金固溶處理程度不夠,固溶溫度或固溶時間未達標(biāo),導(dǎo)致再結(jié)晶過程不完全。受此影響母材組織內(nèi)僅有少量細小的再結(jié)晶晶粒,基本保留了熱加工過程結(jié)束后所形成的長條狀大晶粒,而粗大的晶粒會大幅提高材料的液化裂紋敏感性。固溶處理程度不夠也導(dǎo)致Mg2Si相未能完全溶于母材,殘存的Mg2Si相在后續(xù)的人工時效過程中聚集長大,因此母材中的Mg2Si相顆粒尺寸偏大。

2.3 裂紋的斷口形貌

裂紋的斷口形貌如圖4所示。圖4a為低倍掃描電鏡斷口形貌,斷口呈現(xiàn)沿晶開裂的特征,其表面由多個“臺階”組成(臺階邊界由虛線表示),“臺階”表面較為平坦,其尺寸、形狀與圖3所示的晶粒一致。將圓圈內(nèi)結(jié)構(gòu)進一步放大進行觀測,由圖4b可知斷口表面光滑,不存在滑移、韌窩等韌性斷裂特征,也不存在解理、準(zhǔn)解理等脆性斷裂特征。斷口表面覆蓋著低熔共晶薄膜,存在明顯的“液相橋”特征,薄膜下面的亞晶結(jié)構(gòu)清晰可見[9]。裂紋斷口觀測結(jié)果與顯微組織特征相吻合,進一步驗證該缺陷為液化裂紋。

圖4 裂紋的斷口形貌

2.4 裂紋產(chǎn)生機理

材料晶粒尺寸越粗大,焊接時越容易在熱影響區(qū)的晶界形成低熔點元素偏析,進而引發(fā)晶界液化,減弱晶粒間的連接。焊接熱輸入越大,熱影響區(qū)的晶界液化越顯著,同時冷卻過程中熱影響區(qū)組織受到的拉應(yīng)力越大[10]。如前所述,試驗所用6061P-T6鋁合金固溶處理程度不夠,導(dǎo)致晶粒粗大,而且試驗所用焊接工藝參數(shù)過大,焊接熱輸入過高。以上因素導(dǎo)致熱影響區(qū)的晶界顯著液化,同時承受較大的拉應(yīng)力,最終在力學(xué)因素和冶金因素的共同作用下產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

該試驗中,區(qū)域1的液化裂紋多發(fā),而區(qū)域3未發(fā)現(xiàn)液化裂紋,這一現(xiàn)象與焊縫形狀、晶粒取向有關(guān)。焊接過程中,距熔合線0.6 mm范圍內(nèi)的熱影響區(qū)晶界液化較為顯著(參照2.2節(jié)),于此同時,熱影響區(qū)晶粒受到焊縫牽拉,拉應(yīng)力方向近乎與熔合線垂直。晶界液化及晶粒受力情況如圖5所示,將晶粒簡化為長方形,交錯排布,液化的晶界以粗實線表示。由圖5a可知,受電弧磁偏吹影響,區(qū)域1的熔合線與晶粒長邊平行,2~3層晶粒的晶界完全液化,晶粒長度方向受到拉應(yīng)力的直接作用;由圖5b可知,區(qū)域3的熔合線與晶粒長度方向呈30°~60°夾角,晶界完全液化的晶粒層數(shù)明顯少于區(qū)域1,將拉應(yīng)力分解,只有部分拉應(yīng)力垂直作用在晶粒長度方向。與區(qū)域3相比,區(qū)域1的微觀組織更加敏感,晶粒受拉應(yīng)力狀況更嚴峻,因此液化裂紋發(fā)生率明顯更高。

圖5 晶界液化及晶粒受力情況

3 改進措施及效果

為了解決此裂紋缺陷,首先將焊接工藝參數(shù)由焊接電流140 A、電弧電壓21.0 V、焊接速度7 mm/s調(diào)整為電流120 A、電壓20.0 V、焊接速度9 mm/s,經(jīng)此調(diào)整,焊接熱輸入由0.42 kJ/mm減少至0.27 kJ/mm,焊接熱輸入顯著減少,接頭所受拉應(yīng)力有所下降。其次,針對電弧磁偏吹反向調(diào)整焊槍角度,在原有角度基礎(chǔ)上將焊槍向平板方向偏轉(zhuǎn)8°~10°,同時將電弧修正系數(shù)由0改為-4,壓縮導(dǎo)電嘴到工件的距離2~3 mm,經(jīng)調(diào)整,角焊縫中心線與角焊縫根部的夾角控制在5°以內(nèi),焊縫形狀得到優(yōu)化,區(qū)域1的熔合線與晶粒長邊呈20°~25°夾角,晶粒的受力狀況也得到改善。最根本的措施在于加強對材料質(zhì)量的管控,試驗選用晶粒更細小的6061P-T6鋁合金進行后續(xù)焊接,降低材料的液化裂紋敏感性。

通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)、改善焊縫形狀、改換優(yōu)質(zhì)材料,新一批試樣的宏觀金相檢測過程中未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,此結(jié)構(gòu)液化裂紋的問題得以解決。

4 結(jié)論

(1)對6061鋁合金裂紋的分布特征、顯微組織及斷口形貌進行分析,研究結(jié)果表明該裂紋為液化裂紋。

(2)該裂紋缺陷存在的三個重要誘因:材料晶粒尺寸粗大;焊接熱輸入過高;電弧的磁偏吹導(dǎo)致焊縫中心線向上偏離。

(3)通過選用晶粒細小的母材、降低焊接熱輸入、改善焊縫形狀,此結(jié)構(gòu)液化裂紋的問題得以解決。