單玉嬋
(華能國(guó)際電力公司上安電廠,河北 石家莊 050310)
隨著我國(guó)通用飛機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的不斷提高,飛機(jī)的制造成本、耐久性和維護(hù)性等各方面指標(biāo)都邁向了新的臺(tái)階,與此同時(shí),對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的耐蝕性、低成本、耐用性等各方面指標(biāo)也都有了進(jìn)一步的要求[1]。
2A12鋁合金作為一種高強(qiáng)度的鋁合金,比剛度和比強(qiáng)度較高,更適用于快艇船體、飛機(jī)機(jī)體、火箭殼體等[2]。但是由于2A12焊接性較差,焊接過程中不恰當(dāng)?shù)臒彷斎霕O易形成氣孔及裂紋等缺陷,提高了2A12鋁合金對(duì)焊接工藝的要求[3]。交流CMT焊接技術(shù)是一種新型的熔滴短路過渡焊接方法,該方法從源頭解決了焊接薄板時(shí)飛濺大、線能量不易控制及焊接接頭易開裂的問題[4]。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交流CMT技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整焊接工藝對(duì)鋁合金焊接過程中的熱輸入進(jìn)行控制,可有效減少鋁合金中各類缺陷如氣孔、裂紋、夾雜等的出現(xiàn),提高焊接接頭的性能[5-9]。但是目前關(guān)于鋁合金交流CMT焊接技術(shù)研究主要集中在5系及6系鋁合金中,對(duì)于2系、7系等硬質(zhì)鋁合金的交流CMT焊接工藝性能研究鮮有報(bào)道。
本文針對(duì)1.5mm薄板2A12鋁合金交流CMT焊接工藝對(duì)焊縫成形及組織性能進(jìn)行研究。
通過改變焊接電流及交流CMT焊接電流正負(fù)半波比實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熱輸入的控制,從而改善焊接接頭的組織性能,對(duì)2A12薄板鋁合金CMT焊接技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義。
試驗(yàn)?zāi)覆臑?A12-T62鋁合金,母材尺寸150mm×100mm×1.5mm,材料力學(xué)性能如表1所示。ER2319焊絲為鋁-銅系焊絲,與板材2A12各項(xiàng)元素比例相近,力學(xué)性能相當(dāng)。焊絲直徑1.2mm。材料化學(xué)成分表如表2所示。
表1 2A12鋁合金力學(xué)性能
表2 材料化學(xué)成分表
本試驗(yàn)采用交流CMT焊接方法單面焊雙面成型焊接工藝對(duì)1.5mm的2A12鋁合金板進(jìn)行焊接。焊接工藝參數(shù)如表3所示,干伸長(zhǎng)度15mm,保護(hù)氣體為99.99%的高純氬氣,氣體流量為18L/min~20L/min。
表3 焊接工藝參數(shù)
焊接試驗(yàn)設(shè)備為Fronius公司的CMT Advanced 4000R型焊機(jī),配備FANUC M10iA型工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)變位機(jī)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。
在交流CMT工藝中,焊接電流的變化直接影響到焊縫熱輸入量的大小。焊接熱輸入計(jì)算公式為:
式中E為熱輸入量(單位 :J),I為電流(單位 :A),U為電壓(單位:J=V),η為熱效率系數(shù),v為焊接速度(單位 :mm/s)。
不同的能量輸入,對(duì)焊縫外觀的成形,以及是否焊透等的影響也是不同的。不同焊接電流對(duì)焊縫成型的影響如圖1所示,對(duì)橫截面的余高,熔深以及熔寬進(jìn)行測(cè)量,數(shù)據(jù)如圖2所示。
圖1 不同焊接電流下焊縫成形
圖2 不同焊接電流下焊縫橫截面成形
隨著焊接電流的增加焊縫的余高依次減小,其熔寬依次增大,熔深逐漸變深,背部成型余高變高。當(dāng)焊接電流為58A時(shí),熱輸入較小,魚鱗紋較明顯,但是有多處出現(xiàn)了焊縫凹凸不連續(xù)的現(xiàn)象,焊趾處出現(xiàn)了嚴(yán)重的咬邊現(xiàn)象。當(dāng)焊接電流增大至63A時(shí),焊縫正面的寬度增大,更加均勻,明顯消除了焊縫上魚鱗紋凹凸不連續(xù)的現(xiàn)象,外形更加美觀,無咬邊現(xiàn)象。
焊接電流繼續(xù)增大至68A,焊縫寬度更寬,其魚鱗紋外觀逐漸消失,由于焊接過程中熱輸入量的逐步積累,使熔池出現(xiàn)滲漏,在焊縫后半段,有輕微焊瘤出現(xiàn),使得焊縫后半部分成型質(zhì)量較差。如圖3所示為焊接電流71A時(shí)焊縫的成型情況,采用交流CMT工藝焊接1.5mm的薄板,電流微小的變化就會(huì)對(duì)焊接接頭成型產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)電流增大時(shí),焊縫的寬度會(huì)隨之增大,魚鱗紋外觀基本消失,焊縫背側(cè)成型不均勻,出現(xiàn)部分焊瘤。同時(shí),熱輸入量過大,誘發(fā)焊接背側(cè)出現(xiàn)了微裂紋。
圖3 I=71A時(shí)焊縫成形
在焊接過程中,陰極的產(chǎn)熱表達(dá)式為:
式中:PC為陰極區(qū)的總能量(單位:J);UC為陰極壓降(單位:V);UW為逸出功(單位:V);UT為弧柱溫度的等效電壓(單位:V)。該部分的產(chǎn)熱量主要用于陰極的加熱和陰極區(qū)的散熱損失,焊接過程中直接加熱焊絲或焊件的熱量來源于此。
陽極產(chǎn)熱為:
式中:PA為陽極獲得的總能量(單位:J);UA為陽極電壓降(單位:V);UW為逸出功(單位:V);UT為弧柱溫度的等效電壓(單位:V)。該部分的產(chǎn)熱量主要用于陽極的加熱、熔化和散熱損失。這部分能量也可直接作用于焊接過程。在交流CMT焊接工藝中,電流在EP階段,能量主要作用于母材;而在EN階段,能量主要作用于焊絲[10]。因此,EP/EN越大,母材熔化的越多,焊縫越寬,余高越小,熔深越深,容易在焊縫背側(cè)形成焊瘤或焊漏,同時(shí),魚鱗紋間距變寬,成形不夠美觀;EP/EN越小,魚鱗紋越明顯,但余高變高,熔深變淺,容易引起未焊透缺陷,如圖4、5所示。
圖4 不同正負(fù)半波比下焊縫成形
圖5 不同正負(fù)半波比下接頭橫截面成形
2.2.1 焊接接頭微觀組織分析
采用Kellar試劑對(duì)母材金相試樣進(jìn)行處理并對(duì)其微觀組織形貌進(jìn)行觀察,如圖6所示。2A12硬鋁合金由固溶體α(Al)以及S(Al2CuMg)相和θ(CuAl2)相強(qiáng)化相組成[11]。晶粒組織分布較均勻,其中,S相與θ相分布在晶界及晶內(nèi),其余灰色組織為α固溶體[11]。
圖7,圖8為在不同工藝參數(shù)下焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織圖。焊縫區(qū)的晶粒與母材相比得到了細(xì)化,是較為細(xì)小的等軸晶。但S和θ兩種強(qiáng)化相相對(duì)于母材明顯減少,因此會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能較于母材大幅降低。而熱影響區(qū)中,強(qiáng)化相主要集中在晶界晶內(nèi)只有有少量的S與θ強(qiáng)化相析出,且晶粒較焊縫區(qū)有明顯的長(zhǎng)大。
圖6 母材金相組織
圖7 焊縫區(qū)金相組織
圖8 熱影響區(qū)金相組織
從圖7(a、b、c)及圖8(a、b、c)中可以看出隨著焊接電流的增大,焊縫區(qū)的晶粒變得粗大,熱輸入的增大增加了熔池的溫度梯度,導(dǎo)致強(qiáng)化相溶解進(jìn)入固溶體未能析出。隨著電流的增大,大量的熱輸入為熱影響區(qū)晶粒的長(zhǎng)大提供了充足的能量,晶粒的粗化也更加明顯;同時(shí),增大電流導(dǎo)致焊接接頭散熱速度變慢,導(dǎo)致大量的晶內(nèi)強(qiáng)化相析出在晶界聚集。
對(duì)比圖7(b、d、e)及圖8(b、d、e)發(fā)現(xiàn)隨EP/EN的增大,作用與母材的熱量增加而作用于熔覆金屬的熱量減少使得焊縫區(qū)的組織反而更加細(xì)小,晶界更清晰,可看到明顯的深色的強(qiáng)化相依附于晶界析出。而大量的熱作用于母材導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,熱影響去區(qū)的晶粒反而增大,強(qiáng)化相析出減少。
2.2.2 焊接接頭拉伸性能分析
對(duì)2A12鋁合金的焊接試件進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn),如圖9、10所示。采用交流CMT焊接工藝進(jìn)行焊接后,其焊接接頭的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)與母材相比均有明顯的下降,僅為母材的60%左右,所有拉伸件均斷裂在熱影響區(qū),表現(xiàn)為脆性斷裂。焊接接頭由于熱輸入作用使得大量強(qiáng)化相溶解并在晶界析出,導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能下降。而這一現(xiàn)象在熱影響區(qū)尤為明顯。
圖9 抗拉強(qiáng)度與焊接電流的關(guān)系
圖10 抗拉強(qiáng)度與EP/EN的關(guān)系
熱影響區(qū)晶界周圍分布有較多的二次相,其中夾雜有S和θ強(qiáng)化相,二次相在晶界的聚集導(dǎo)致晶界應(yīng)力集中,在基體還處于較小的塑性變形時(shí)便與基體中的α-Al固溶體脫落,直接表現(xiàn)為脆性斷裂[12]。同時(shí),熱影響區(qū)粗大的晶粒也是接頭軟化的主要原因之一。
焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著電流的增大表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)電流為58A時(shí),試樣焊接接頭的力學(xué)性能最差,由于焊接電流太小,焊縫邊緣出現(xiàn)咬邊的缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中,使其力學(xué)性能下降抗拉強(qiáng)度僅為230.46MPa,是母材的50%。
隨著焊接熱輸入的增加咬邊缺陷消失,力學(xué)性能隨之上升達(dá)到309MPa,是母材的66%,但是當(dāng)電流繼續(xù)增大至68A時(shí)抗拉強(qiáng)度下降至244.33MPa,焊縫處的組織晶粒變得粗大,從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降,同時(shí),太高的熱輸入導(dǎo)致S與θ強(qiáng)化相溶解也是接頭強(qiáng)度下降的原因[13]。隨著EP/EN的增大,其抗拉強(qiáng)度亦是逐漸減小的規(guī)律,EP/EN=12/10與EP/EN=17/10時(shí)的抗拉強(qiáng)度相差并不是很大基本在310MPa左右,但當(dāng)EP/EN=22/10時(shí),抗拉強(qiáng)度下降為294MPa,是母材強(qiáng)度的62.6%。隨EP/EN的增大,作用于母材的熱量增加,大量的熱作用于母材導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,熱影響區(qū)的晶粒增大,強(qiáng)化相析出減少造成接頭力學(xué)性能下降[14]。
2.2.3 焊接接頭硬度試驗(yàn)分析
對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別選取一個(gè)試樣,對(duì)其進(jìn)行硬度實(shí)驗(yàn)。從在距焊縫中心約為12mm處的位置開始打點(diǎn),每點(diǎn)間隔1mm,測(cè)定與焊接接頭的截面垂直的區(qū)域的硬度分布。圖11為不同焊接工藝參數(shù)下的2A12鋁合金焊接試樣的硬度分布曲線圖。
圖11 焊接接頭硬度分布
從硬度分布圖可看出,整體上,焊接接頭的硬度分布的趨勢(shì)是基本一致的,呈關(guān)于焊縫中心對(duì)稱的W型。由于母材本身彌散有大量的S和θ強(qiáng)化相,其硬度最高,基本維持在135HV左右;進(jìn)入熱影響區(qū)后硬度開始出現(xiàn)急速下降到熔合區(qū)達(dá)到最低值,主要原因是含溶質(zhì)較少的α-Al固溶體在焊縫金屬凝固時(shí)最先被析出,而Cu、Mg等溶質(zhì)原子大部分被排到液相中,在凝固停止前,充滿溶質(zhì)原子的液相在晶界與晶間形成共晶相,而含溶質(zhì)較少的α-Al固溶體的硬度較低[15]。
而焊縫區(qū)域由于晶粒為細(xì)小等軸晶,形成大量的晶界,從而使其硬度有所增加。
當(dāng)焊接電流為58A時(shí)焊縫區(qū)的硬度最高,HV=115,隨著電流增加晶粒的尺寸變大,焊縫區(qū)的硬度明顯降低,但當(dāng)電流提升至68A時(shí),焊縫區(qū)的硬度并無明顯的下降,焊接接頭的晶粒的大小對(duì)硬度值產(chǎn)生的影響是有限的,組織中強(qiáng)化相的析出對(duì)硬度的影響更為明顯。當(dāng)電流不變,改變EP/EN時(shí),其焊縫區(qū)的硬度值變化并不明顯HV=100左右。當(dāng)EP/EN=12/10時(shí)焊接接頭的強(qiáng)化相析出較多,隨著EP/EN的增加焊縫區(qū)的晶粒變得細(xì)小,晶界增加,故熱輸入量的增加并未對(duì)焊縫區(qū)的硬度產(chǎn)生較大影響;而隨EP/EN的增加,熱影響區(qū)晶粒逐漸長(zhǎng)大,其熱影響區(qū)硬度值逐漸下降,當(dāng)EP/EN=12/10時(shí),熱影響區(qū)硬度值最高,HV=90。如圖12、13所示。
圖12 硬度與電流的關(guān)系
圖13 硬度與EP/EN的關(guān)系
(1)交流CMT焊接工藝焊接2A12鋁合金,焊縫區(qū)的晶粒與母材相比得到了細(xì)化,是較為細(xì)小的等軸晶。但S和θ兩種強(qiáng)化相相對(duì)于母材明顯減少。而熱影響區(qū)中,強(qiáng)化相主要集中在晶界,且晶粒較焊縫區(qū)有明顯的增大。焊接接頭出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,抗拉強(qiáng)度僅為母材的65%左右,熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱區(qū)域;焊接接頭的硬度分布沿焊縫中心對(duì)稱呈W分布,熱影響區(qū)硬度值最低。
(2)隨著焊接電流的增加焊縫的熔深變深,熔寬變寬,魚鱗紋形貌逐漸消失,微觀組織在焊縫區(qū)及熱影響區(qū)逐漸變大,強(qiáng)化相析出相逐漸減少,力學(xué)性能先上升后下降。當(dāng)工藝參數(shù)為:I=63A,EP/EN=17/10,v=70cm/min時(shí),力學(xué)性能最好是309MPa。
(3)隨著EP/EN的增大,焊縫的熔深變深,熔寬變寬,魚鱗紋形貌變化不明顯,焊縫區(qū)微觀組織為等軸晶且逐漸細(xì)化,而熱影響區(qū)晶粒則變得粗大,強(qiáng)化相析出減少,力學(xué)性能逐漸下降。當(dāng)I=63A,EP/EN=12/10,v=70cm/min時(shí),力學(xué)性能最好,抗拉強(qiáng)度是311MPa。