機械振動對2A14鋁合金TIG焊接接頭組織與性能的影響

鄧嘉宏，劉 紅，劉繼幗,2

(1.云南機電職業(yè)技術(shù)學院，云南 昆明 650203；2.昆明理工大學，云南 昆明 650093)

properties

2A14鋁合金具有密度小、比強度高、可切削性好等特點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域。雖然這種硬鋁合金材料具有良好的物理、力學性能，但是用作結(jié)構(gòu)件時卻由于焊接性差而限制了其應(yīng)用范圍，如果采用低強度異質(zhì)焊絲焊接2A14鋁合金，焊接接頭的力學性能則顯著下降[1]。2A14鋁合金的熱裂傾向很大，通過對焊接熔池的機械振動有希望降低其熱裂傾向。振動焊接技術(shù)是在焊接過程中施加周期性振動的一種新型焊接工藝，在鋼鐵和鎂合金等的焊接中應(yīng)用較為廣泛，已被證實可以提高焊接接頭的質(zhì)量。雖然現(xiàn)在有防止鋁合金焊接熱裂紋的特殊工藝措施，例如焊接過程實施橫向或縱向電弧振蕩等，但是關(guān)于硬鋁合金振動焊接的研究鮮有報道[2-3]。因此，本課題嘗試將機械振動引入2A14鋁合金的TIG焊接過程，考察機械振動參數(shù)對焊接接頭力學性能和顯微組織的影響，并探討振動焊接的作用機制，為提高硬鋁合金焊接接頭整體性能提供技術(shù)支撐和參考。

1 試驗材料與方法

試驗母材為2A14-T4鋁合金板，采用鎢極惰性氣體保護焊(TIG)，焊絲為Φ1.2 mm ER4043焊絲(執(zhí)行《GB/T 10858-2008鋁及鋁合金焊絲》標準)，母材和焊絲的化學成分如表1。

表1 試驗合金和焊絲的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of experimental alloy material and welding wire(wt/%)

采用線切割方法從母材上截取120 mm×80 mm×4 mm塊狀試樣，坡口角度為60°， 清洗、吹干后采用Maxstar 200DX TIG焊機進行單面單層焊接，焊接過程中使用琴鍵式卡具對接鋁合金試板并固定在電磁吸合式振動臺上，該設(shè)備的機械振動頻率范圍為0～200 Hz、機械振動幅度可調(diào)范圍為0～5 mm。焊接示意圖如圖1。本試驗機械振動作用下TIG焊接工藝參數(shù)為：焊接電流100 A～130 A、焊接速度12 cm/min，送絲速度為220 cm/min，機械振動幅度控制在0.02 mm～0.08 mm、機械振動頻率控制在25 Hz～55 Hz。

參照GB/T 2651-2008 《焊接接頭拉伸試驗方法 》在焊接接頭上截取橫向拉伸試樣，在MTS萬能拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min；采用威爾遜Tukon 2500全自動維氏硬度計進行顯微硬度測試，載荷為5 N，保持載荷時間為15 s；用線切割方法在焊接接頭切取塊狀金相試樣，經(jīng)水磨砂紙打磨、機械拋光和0.5 mL HF+99.5 mL H2O配比的溶液腐蝕后，在OLymplus IX83金相顯微鏡上觀察顯微組織。

圖1 機械振動輔助TIG焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical vibration assisting in TIG welding

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 焊接電流的影響

所有試驗中固定焊接速度12 cm/min。在未施加機械振動條件下，考察焊接電流對2A14鋁合金焊接接頭拉伸性能的影響，結(jié)果如表2。隨著焊接電流的增加，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率都呈現(xiàn)出先增加而后減小的特征，在焊接電流為120 A時得到最大值。在其他工藝參數(shù)一定條件下，焊接電流的增加會使熔核直徑增大，從而提高焊接接頭的抗拉強度，但是當焊接電流過大時，焊接熱輸入增加，焊縫在高溫停留的時間更長，晶粒會發(fā)生一定程度長大[4]，從而降低焊接接頭的強度和塑性，此外，過高的焊接電流還可能增加焊縫組織中的焊接缺陷，對焊接接頭的力學性能產(chǎn)生不利的影響[5]。從焊接接頭的斷裂位置上看，除了焊接電流為100 A時的焊接接頭斷裂位置在靠近熔合線處之外，其他焊接電流下的焊接接頭的斷裂位置都在焊縫中心。由此可見在較小的焊接電流條件下，焊接接頭靠近熔合線的區(qū)域是薄弱區(qū)域，而提高焊接電流后，焊接接頭的薄弱區(qū)域轉(zhuǎn)移至焊縫中心。

表2 焊接電流對2A14鋁合金焊接接頭力學性能的影響Table 2 Effect of welding current on mechanical properties of 2A14 aluminum alloy welded joints

圖2為焊接電流為100 A～130 A時2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的金相組織。對比分析可見，4種焊接電流條件下，2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的組織都為α固溶體+第二相；在焊接電流為100 A時，α固溶體的二次枝晶較為細長，但是隨著焊接電流的增加，二次枝晶逐漸變短，在焊接電流增加至120 A時α固溶體中可見到明顯的等軸樹枝晶，并且在焊接電流達到130 A時，二次枝晶基本消失。此外，對比分析可見，隨著TIG焊接電流增加，α固溶體有逐漸粗化的特征，二次枝晶逐漸變短直至消失。這主要與不同焊接電流帶來的焊接熱輸入不同有關(guān)，較小的焊接電流下，焊接熔池的冷卻速度相對較快，形核率較高，焊縫組織相對較為細小[6]；隨著焊接電流升高，焊接熔池冷卻速度較慢，焊縫在高溫停留時間較長而使晶粒發(fā)生粗化；此外，焊接熱輸入的增加還會減小α固溶體樹枝晶上二次枝晶的生長速度[7]，使其從細長狀演變?yōu)橛侄逃执种敝料В诤附与娏鳛?30 A時，焊縫中心還存在小的氣孔缺陷，在一定程度上會降低焊接接頭的力學性能。

2.2 機械振幅的影響

固定焊接電流為120 A、機械振動頻率為25 Hz不變，機械振動幅度對2A14鋁合金焊接接頭力學性能的影響如表3。由表3可見，隨著機械振幅的增加，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率都表現(xiàn)為先升高而后減小的趨勢，在機械振幅為0.06 mm時得到抗拉強度和斷后伸長率最大值。對比未施加機械振動的焊接接頭性能可知，除機械振幅為0.02 mm時的抗拉強度與之相當外，其余機械振幅下焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率都要明顯高于未施加機械振動的焊接接頭的性能。從斷裂位置來看，4種不同機械振幅下的焊接接頭都斷裂在焊縫靠近熔合線處，這也就說明焊接接頭部位最薄弱的區(qū)域在焊縫靠近熔合線處；對比無振動條件下的焊接接頭斷裂位置(在焊縫中心)可知，施加機械振動的焊接接頭的最薄弱區(qū)域發(fā)生了轉(zhuǎn)移，從焊縫中心轉(zhuǎn)移至焊縫靠近熔合線位置處，且焊接接頭的力學性能高于未施加機械振動的焊接接頭。

圖2 不同焊接電流下2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的顯微組織Fig.2 Microstructure of weld center of 2A14 aluminum alloy welded joint under different welding currents

表3 機械振幅對2A14鋁合金焊接接頭力學性能的影響Table 3 Effect of mechanical amplitude on mechanical properties of 2A14 aluminum alloy welded joint

圖3為不同機械振幅下2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的顯微組織，其中，用白色圓框標出α固溶體中的等軸樹枝晶，白色箭頭指示晶粒的生長方向。在機械振動作用下，焊接接頭焊縫中心都由α固溶體和二次枝晶組成，其中樹枝晶與振動方向呈小角度生長。在機械振幅為0.02 mm時，等軸樹枝晶尺寸較大(白色圓框)、胞狀樹枝晶較??；當機械振幅增加至0.04 mm及以上時，焊縫中心的等軸晶尺寸有所減小，而胞狀樹枝晶尺寸有所增加；在機械振幅為0.08 mm時，等軸樹枝晶已經(jīng)非常細小，而胞狀樹枝晶較長。在機械振動條件下，等軸樹枝晶中垂直于振動方向的二次枝晶臂會在沖擊和碰撞作用下發(fā)生斷裂，且機械振幅越大則枝晶臂愈發(fā)容易斷裂[8]，而與振動方向平行的二次枝晶臂受影響較小、基本保留其固有形態(tài)；此外，機械振動過程中斷裂的枝晶臂會作為異質(zhì)形核質(zhì)點而起到增加形核率、細化晶粒的作用，且機械振幅越大則晶粒細化效果越顯著，細晶強化效果越大；而過大的機械振幅可能會造成焊接接頭中氣孔等缺陷的形成[9]，力學性能反而會有所降低。

圖3 不同機械振幅下焊接接頭焊縫中心的顯微組織Fig.3 Microstructure of weld center of welded joint under different mechanical amplitudes

2.3 機械振動頻率的影響

固定焊接電流為120 A、機械振幅為0.06 mm不變，機械振動頻率對2A14鋁合金焊接接頭力學性能的影響如表4。隨著機械振動頻率的增加，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率都表現(xiàn)為先升高而后減小的趨勢，在機械振動頻率為45 Hz時取得最大值，此時的抗拉強度和斷后伸長率分別為312 N/mm2和5.11%。從斷裂位置來看，不同機械振動頻率下焊接接頭的斷裂位置都處于焊縫靠近熔合線位置，這說明，在室溫拉伸過程中焊接接頭最薄弱區(qū)域位于焊縫靠近熔合線處，相較于未施加機械振動時最薄弱區(qū)域(在焊縫中心)有所改變，這主要是因為機械振動可以改善焊縫顯微組織的緣故。

表4 機械振動頻率對2A14鋁合金焊接接頭力學性能的影響Table 4 Effect of mechanical vibration frequency on mechanical properties of 2A14 aluminum alloy welded joint

圖4為不同機械振動頻率下2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的光學顯微組織，白色圓框標示出α固溶體中的等軸樹枝晶，白色箭頭指示晶粒的生長方向。在較低的機械振動頻率下(25 Hz)，等軸樹枝晶尺寸可達90 μm，胞狀樹枝晶呈細長狀；隨著機械振動頻率的增大，胞狀樹枝晶變粗變短，而等軸樹枝晶不斷細化；在較高的機械振動頻率(55 Hz)下，等軸樹枝晶尺寸減小至50 μm左右，而胞狀樹枝晶較為短小。與不同機械振幅下焊接接頭焊縫中心等軸樹枝晶相似的是，在不同機械振動頻率下，等軸樹枝晶的垂直于振動方向的二次枝晶臂會發(fā)生斷裂，且機械振動頻率越大則斷裂概率越高，最終形成了與振動方向基本一致的胞狀樹枝晶[10]。此外，斷裂枝晶臂會在焊接熔池中成為異質(zhì)形核質(zhì)點而起到增加形核率、細化晶粒的作用，且機械振動頻率越大則晶粒細化效果越顯著。但是同時也發(fā)現(xiàn)，機械振動頻率并不是越大越好，當機械振動頻率過大時(55 Hz)，焊縫中心顯微組織中會出現(xiàn)氣孔等缺陷而降低焊接接頭的力學性能。

從上述的不同焊接電流、機械振幅和機械振動頻率對2A14鋁合金焊接接頭力學性能和顯微組織的影響規(guī)律可知，當焊接電流為120 A、機械振幅為0.06 mm、機械振動頻率為45 Hz時，2A14鋁合金焊接接頭具有最佳的抗拉強度和斷后伸長率的結(jié)合。在2A14鋁合金TIG焊接過程中施加機械振動，可以明顯改善焊縫組織和強、塑性，拉伸過程中焊接接頭最薄弱區(qū)域從焊縫中心轉(zhuǎn)變至焊縫靠近熔合線位置處；增加機械振幅和機械振動頻率都可以有效細化焊縫中心組織，但是并不是機械振幅或機械振動頻率越大越好，如果機械振動參數(shù)過大，則會在焊縫中形成氣孔等缺陷，反而使焊接接頭的力學性能降低。

圖4 不同機械振動頻率下焊接接頭焊縫中心的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld center of welded joint under different mechanical vibration frequencies

3 結(jié) 論

1)未施加機械振動條件下(固定焊接速度不變)，隨著焊接電流的增加，2A14鋁合金焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率都呈現(xiàn)出先增加而后減小的特征，在焊接電流為120 A時得到最大值；除焊接電流為100A時的焊接接頭斷裂在靠近熔合線位置處之外，其他焊接電流下的焊接接頭的斷裂位置都位于焊縫中心。

2)隨著機械振幅的增加，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率都表現(xiàn)為先升高而后減小的趨勢，在機械振幅為0.06 mm時得到抗拉強度和斷后伸長率最大值；除機械振幅為0.02 mm時的焊接接頭的抗拉強度與未施加機械振動時相當之外，其余機械振幅下焊接接頭的強、塑性都要明顯高于未施加機械振動的焊接接頭；4種不同機械振幅下的焊接接頭都斷裂在焊縫靠近熔合線處。

3)隨著機械振動頻率的增加，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率都表現(xiàn)為先升高而后減小的趨勢，在機械振動頻率為45 Hz時得到最大值；從斷裂位置來看，不同機械振動頻率下焊接接頭的斷裂位置都在焊縫靠近熔合線處。