6082-T651鋁合金板十字接頭組織及力學(xué)性能

祁廣斌， 郝曉虎， 董紅剛， 許晨玲， 焦興貴， 何建偉

(1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024；2.大連匯程鋁業(yè)有限公司，遼寧 大連 116105)

0 前言

鋁是地殼中含量最高的金屬元素，雖然開(kāi)發(fā)和應(yīng)用較晚，但由于鋁合金較高的比強(qiáng)度及優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和良好的耐蝕性等優(yōu)勢(shì)，在一些領(lǐng)域已逐漸取代鋼鐵，得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。特別是在軌道交通、航空航天和醫(yī)療器械等追求輕量化的領(lǐng)域，鋁合金已成為首選材料。6082鋁合金是一種可熱處理強(qiáng)化的變形鋁合金，主要添加元素為Mg和Si。大量的Mg2Si作為強(qiáng)化相在6082鋁合金基體析出，使得其具有相對(duì)較高的強(qiáng)度。同時(shí)因其優(yōu)異的焊接性和耐蝕性，6082鋁合金被廣泛地應(yīng)用在各種工程結(jié)構(gòu)件上[4-6]。

焊接是鋁合金結(jié)構(gòu)件不可缺少的連接技術(shù)。目前6082鋁合金常用的焊接技術(shù)包括攪拌摩擦焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、高能束焊及多熱源復(fù)合焊等[7-10]。相比于其它焊接方法，熔化極氣體保護(hù)焊(Metal Inert-Gas Welding, MIG焊)生產(chǎn)效率高、設(shè)備操作簡(jiǎn)單、工藝適用性強(qiáng)，同時(shí)焊接耗材成本較低，因此在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用更廣泛[11]。此外，對(duì)于某些特殊的結(jié)構(gòu)件，由于功能要求或空間大小的限制，經(jīng)常會(huì)采用T形、十字等角焊縫，目前對(duì)于6082鋁合金厚板的十字焊接還缺乏深入研究。

文中采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行15 mm厚6082鋁合金板十字焊接，分析不同工藝參數(shù)下焊縫成形、接頭顯微組織及力學(xué)性能，研究十字焊接頭不同區(qū)域元素分布規(guī)律，為該材料十字焊接試驗(yàn)提供可靠的理論與數(shù)據(jù)支撐，推動(dòng)其在交通運(yùn)輸、航空航天和軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用母材為6082-T651鋁合金板，相比于T6態(tài)鋁合金(固溶處理)，T651態(tài)在T6態(tài)基礎(chǔ)上經(jīng)拉伸機(jī)進(jìn)行冷拉伸，以消除熱處理后的殘余內(nèi)應(yīng)力，使得深加工后不變形來(lái)保證機(jī)加工產(chǎn)品精度，力學(xué)性能見(jiàn)表1。腹板尺寸為300 mm×60 mm×15 mm，兩側(cè)翼板尺寸為300 mm×100 mm×15 mm。填充焊絲選用直徑為1.2 mm的ER5087鋁鎂焊絲，母材和焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 母材和焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)所用設(shè)備為福尼斯TPS 4000Advance型CMT焊機(jī)，采用一元化專家程序焊接，保護(hù)氣為99.99%高純氬氣，流量為20 L/min，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。焊接方式采用船形焊，如圖1所示。設(shè)計(jì)了專用工裝，通過(guò)將2塊翼板和1塊腹板從側(cè)面卡槽插入固定，工裝照片如圖2所示。每組試樣共焊4道，為控制焊接變形先焊對(duì)角焊縫。所有板材在焊接之前去除焊接區(qū)域氧化膜及油污，直至出現(xiàn)金屬光澤，之后用酒精擦拭待焊表面。

表3 焊接參數(shù)

圖1 船形焊示意圖

圖2 船形焊工裝胎架

焊接完成后，采用金相顯微鏡(OM，LEICA DMi8)和掃描電子顯微鏡(SEM，SUPARR 55)觀察十字接頭微觀組織和拉伸斷口形貌，采用電子探針(EPMA，JXA-8530F PLUS)測(cè)試接頭不同區(qū)域元素分布情況。拉伸試樣的制備及拉伸方法按照標(biāo)準(zhǔn)《ISO 9018：2003 金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)—十字接頭和搭接接頭的拉伸試驗(yàn)》在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)(DNS-100)上進(jìn)行，拉伸速率為4 mm/min。采用維氏硬度計(jì)(MVC-1000B)測(cè)量焊接接頭的顯微硬度，每隔0.5 mm取一個(gè)點(diǎn)，載荷為100 g，加載時(shí)間為15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫宏觀形貌

不同工藝參數(shù)下焊縫宏觀形貌及橫截面照片如圖3所示。十字接頭焊縫成形良好，焊縫表面光滑，有清晰的魚鱗紋，未觀察到表面裂紋。在圖3a中，當(dāng)送絲速度為10 m/min，焊接電流為169 ～176 A時(shí)，焊絲熔覆量較少，焊縫余高較大，與腹板的潤(rùn)濕角大于90°，同時(shí)焊縫根部存在未熔透缺陷，容易造成應(yīng)力集中。腹板和翼板的熔深與熔寬均較小，焊縫與母材結(jié)合力不強(qiáng)，拉伸時(shí)容易從底層焊縫處斷裂。如圖3b所示，當(dāng)送絲速度為11 m/min，焊接電流為185～190 A時(shí)，焊絲熔覆量增加，焊接熱輸入適中，形成飽滿的凸形焊縫，與1號(hào)試樣相較，腹板和翼板的熔深有所增加。繼續(xù)增大送絲速度與焊接電流，如圖3c～3d所示，焊縫體積逐漸增大，焊縫凸度逐漸減小，兩邊焊腳尺寸逐漸增大，熔深和熔寬也相應(yīng)增加。此外，焊縫內(nèi)存在微小氣孔，隨著焊接參數(shù)增大，氣孔逐漸向焊縫頂部聚集，焊根處氣孔減少，這是因?yàn)楫?dāng)焊接電流較大時(shí)，焊接熱輸入增加，焊縫金屬的凝固時(shí)間更長(zhǎng)，底部的氣泡能夠充分的上浮，降低焊縫的氣孔率[12]。

圖3 焊縫宏觀形貌

使用船形焊，相比于傳統(tǒng)焊接角焊縫所使用的平角焊方法，焊接效率更高、腹板與翼板的熔深和熔寬更加均勻、焊縫均呈凸形、焊縫成形更加美觀，這說(shuō)明對(duì)于十字焊接等角焊縫，使用船形焊方法具有獨(dú)特的優(yōu)越性。

2.2 接頭微觀組織

4號(hào)試樣的低倍組織照片如圖4所示。圖5為典型十字接頭的金相組織，整個(gè)接頭可分為焊縫、熱影響區(qū)和母材3個(gè)區(qū)域。焊縫內(nèi)部存在一些小氣孔，尤其是焊縫上部，中部氣孔較少，底部基本不存在氣孔。如圖5a和圖5f所示，翼板和腹板熔合線附近組織基本相同，焊縫晶粒沿著散熱最快的方向，即垂直于熔合線以柱狀晶形式向內(nèi)生長(zhǎng)，形成柱狀晶區(qū)；然后晶粒生長(zhǎng)一致性逐漸減弱，生長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲问剑饾u形成枝晶區(qū)；由于成分過(guò)冷作用，最終在焊縫中心形成細(xì)小樹枝晶和等軸晶[13]。而熱影響區(qū)在熱作用和軋制產(chǎn)生的晶格畸變能的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，組織變化明顯。此外，在腹板和翼板的熱影響區(qū)中均發(fā)現(xiàn)了晶間液化現(xiàn)象，液化晶界從熔合線一直延伸到熱影響區(qū)內(nèi)部。圖5b為發(fā)生晶間液化現(xiàn)象區(qū)域的放大圖，可以看出液化晶界為胞狀結(jié)構(gòu)，由黑色晶間共晶體和環(huán)繞其分布的淺灰色固溶貧化區(qū)組成。晶間液化主要是由焊接過(guò)程中的熱循環(huán)導(dǎo)致的。焊接過(guò)程中，這一區(qū)域的溫度位于固相線和液相線之間，晶界處的低熔點(diǎn)相和部分基體熔化后生成亞共晶成分液體，形成環(huán)繞晶粒的晶間液化帶，最終形成由白色貧化Al固溶體和黑色晶界共晶體組成的晶間液化組織[14]。在焊后冷卻過(guò)程中，晶間液化組織可能會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，形成晶間裂紋，惡化接頭力學(xué)性能。圖5c為焊縫中心金相組織照片，焊縫中心為枝晶和等軸晶的混合組織，主體是灰色的Al固溶體，在晶界上分布著黑色析出相。如圖5d所示，在焊根三角區(qū)位置，焊縫邊緣與腹板和翼板連接的空隙處相交，導(dǎo)致這一區(qū)域成為薄弱區(qū)。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，三角區(qū)受力較大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致接頭從三角區(qū)位置起裂，裂紋沿焊縫區(qū)擴(kuò)展，延伸至焊縫區(qū)底部或頂部。圖5e為腹板離熔合線較遠(yuǎn)處的熱影響區(qū)組織，主要是軋制后流線型的Al基體，分布著大量細(xì)小的彌散強(qiáng)化相和粗大的雜質(zhì)相，與母材組織區(qū)別不大。

圖4 低倍組織形貌

圖5 十字接頭金相圖譜

2.3 接頭不同區(qū)域元素分布情況

焊縫中心組織的背散射電子像和元素分布如圖6所示。從背散射電子像中可以看出焊縫組織主要為灰色的Al基體和白色的晶間析出相，大量的白色析出相彌散分布在Al基體上。從主要的合金元素分布看，晶界處的Al元素含量相比于晶內(nèi)的Al含量更少，Mg含量分布則正好相反，Mg元素在晶界上大量析出。此外，白色析出相主要富集Mg，Si以及少量的Fe元素，可知這些白色析出相主要為Mg-Si共晶組織。Mg，Si元素在晶界偏聚主要是因?yàn)楹缚p金屬凝固過(guò)程中，Mg和Si被排至固液界面前沿，這樣Mg元素和Si元素在晶界位置大量聚集[15]。Fe，Mn元素在整個(gè)基體上彌散分布，也有少部分聚集成為含F(xiàn)e或含Mn的析出相。

圖6 十字接頭焊縫背散射電子像和元素分布

圖7為十字接頭熔合線附近區(qū)域背散射電子像和主要合金元素的面掃分布結(jié)果。從背散射電子像可以看出，熔合線靠近焊縫側(cè)主要為隨熱流方向生長(zhǎng)的柱狀組織，包括灰色基體和晶界上呈條狀不連續(xù)分布的白色析出相。從元素分布圖可知，焊縫邊緣柱狀晶區(qū)的元素分布與焊縫中心基本相同，Mg元素依然是焊縫中除Al外含量最多的元素，且在晶界大量偏聚。此外，由于焊縫邊緣和焊縫中心的組織差異，熔合線附近Mg，Si，F(xiàn)e，Mn元素分布并不均勻。在熱影響區(qū)側(cè)，顯微組織為灰色Al基體和沿軋制方向分布的白色塊狀第二相。這些第二相除含Al元素外，還同時(shí)存在Si，F(xiàn)e，Mn三種元素，B處的元素定量分析結(jié)果見(jiàn)表4，結(jié)果也證明主要元素是Al，Si，F(xiàn)e和Mn，由此可以推定第二相是6系鋁合金中常見(jiàn)的Al-Si-Fe-Mn雜質(zhì)相[16]。

圖7 十字接頭熔合區(qū)背散射電子像和元素分布

表4 元素定量分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù),%)

在焊接熱影響區(qū)，對(duì)晶間液化組織的背散射電子像和元素面掃分析結(jié)果如圖8所示。從背散射電子像可以看出，晶間液化組織的黑色基體上斷續(xù)分布著白色析出相。結(jié)合元素分布結(jié)果可知，黑色部分主要為Si和Mg。而白色析出相在元素組成上與周圍基體上的白色Al-Si-Fe-Mn相不同，除Si和Mg外，還分布著Mn及少量的Fe和Cr。從圖9中的C區(qū)放大圖可以看到，晶間液化組織的白色析出相除絮狀外，個(gè)別位置還存在塊狀析出相。對(duì)塊狀析出相進(jìn)行EDS分析，粒子1中主要含有Al，Mn，Si及少量的Fe和Cr，其原子分?jǐn)?shù)依次分別為79.58%,7.43%,8.33%,1.75%和1.65%，由此判斷這些塊狀析出相為Al6MnSi相。

圖8 晶間液化組織背散射電子像和元素分布

圖9 圖8a中C區(qū)的放大圖

2.4 接頭力學(xué)性能及斷口特征

4組十字焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，4組工藝參數(shù)下接頭的抗拉強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)。1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度最低，為195 MPa，拉伸斷裂位置位于焊縫中心和靠近腹板側(cè)的焊縫底部。兩側(cè)焊縫均從焊根三角區(qū)這一缺陷聚集區(qū)起裂，其中，斷在焊縫底部一側(cè)是由于腹板熔深較淺，焊腳尺寸最短，且焊趾處與腹板角度大于90°，所以試樣從焊縫底部斷裂。2號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度為213 MPa，斷裂位置為焊縫中心和翼板側(cè)焊縫底部，斷裂原因與1號(hào)試樣相同，由于焊接第一道焊縫時(shí)板材溫度較低，所以潤(rùn)濕鋪展性與液態(tài)金屬流動(dòng)性還比較差，導(dǎo)致翼板處熔深較小，焊縫底部柱狀晶區(qū)的強(qiáng)度相對(duì)較低，因而成為接頭薄弱位置發(fā)生斷裂失效。隨著焊接熱輸入增加，3號(hào)和4號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度升高到218 MPa和239 MPa，斷裂位置均位于焊縫中心，以焊根為起點(diǎn)，沿45°方向斷裂。此時(shí)焊縫成形較好，外輪廓過(guò)渡平滑，熔深與熔寬均增加，拉伸時(shí)當(dāng)外應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，其45°方向的取向因子達(dá)最大值，超過(guò)最小臨界分切應(yīng)力，造成焊縫沿45°方向斷裂。

表5 十字接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

試樣典型斷口形貌如圖10所示。圖10a、圖10b為焊縫中心斷口表面形貌，斷口表面均存在著大量韌窩，同時(shí)不同區(qū)域的形貌仍有差異。圖10a為焊根附近初始擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌，這一區(qū)域的斷口由細(xì)密的韌窩組成，表明其斷裂形式為韌性斷裂；圖10b為初始擴(kuò)展區(qū)外至焊縫邊緣區(qū)域的斷口形貌，這一區(qū)域的斷口較平，斷口表面除韌窩外，還存在著階梯狀花樣和扁平的撕裂棱，塑性相對(duì)初始擴(kuò)展區(qū)較弱。

圖10 十字接頭拉伸斷口形貌圖

圖10c為焊縫底部斷口表面形貌照片，可以看到斷口表面存在大量氣孔，這些氣孔在拉伸時(shí)成為裂紋源，極大地削弱了焊縫強(qiáng)度。同時(shí)這也證明當(dāng)焊接規(guī)范和熔深較小時(shí)，焊縫底部氣孔數(shù)量會(huì)大大增加。除氣孔外，其余區(qū)域均為韌窩組織，形態(tài)與圖10a類似，說(shuō)明依然為韌性斷裂。

4組十字接頭的顯微硬度分布如圖11所示。十字接頭各個(gè)區(qū)域的硬度均小于母材，以焊縫為中心分別向腹板和翼板方向延伸所得到的硬度值大致呈對(duì)稱分布，也再次證明船形焊方法焊接角焊縫所得組織的均勻性。4組接頭的焊縫區(qū)硬度值差別不大，1號(hào)接頭焊縫區(qū)硬度平均值為80 HV，2號(hào)接頭焊縫區(qū)硬度平均值為77 HV，3號(hào)接頭焊縫區(qū)硬度平均值為81 HV，4號(hào)接頭焊縫區(qū)硬度平均值為75 HV，整體隨焊接規(guī)范增大呈略微下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S焊接電流增加，焊縫熱輸入增大，焊縫合金元素的燒損也相應(yīng)增加。合金元素的燒損會(huì)降低焊縫組織的固溶強(qiáng)化效果，而固溶強(qiáng)化是焊縫區(qū)凝固組織最主要的強(qiáng)化機(jī)制，所以導(dǎo)致硬度降低。由于焊接熱循環(huán)的作用，熱影響區(qū)產(chǎn)生了過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，硬度值相比母材出現(xiàn)了顯著下降。1號(hào)接頭由于熱輸入相對(duì)較低，在距焊縫中心10 mm左右熱影響區(qū)硬度值逐漸恢復(fù)到母材硬度；2號(hào)和3號(hào)接頭的熱影響區(qū)硬度值相比1號(hào)接頭有所下降，由于十字接頭四道焊縫呈中心對(duì)稱分布，4次熱循環(huán)共同作用使包括翼板和腹板在內(nèi)的整個(gè)接頭中心都變成熱影響區(qū)；而對(duì)于4號(hào)接頭來(lái)說(shuō)，由于焊接熱輸入最大，軟化現(xiàn)象最為明顯，熱影響區(qū)硬度值最低。

圖11 十字接頭顯微硬度分布圖

3 結(jié)論

(1)采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行了15 mm厚6082-T651鋁合金板十字焊工藝研究，隨焊接熱輸入增大，焊縫凸度減小，熔深和熔寬增加，接頭最大抗拉強(qiáng)度達(dá)239 MPa。

(2)Mg元素在焊縫邊緣柱狀晶區(qū)晶界上大量偏聚，焊縫中心的析出相主要含有Mg，Si，F(xiàn)e和Mn元素；熱影響區(qū)存在晶間液化現(xiàn)象。

(3)腹板和翼板硬度值總體呈對(duì)稱分布，不同參數(shù)下焊縫區(qū)硬度值差別不大。隨焊接熱輸入增加，熱影響區(qū)硬度值逐漸減小，最終低于焊縫區(qū)硬度。