7B52-T6防彈鋁合金中厚板MIG焊工藝研究

王光臨 岳春光 王更馮

摘要：采用MIG焊，以ER5356焊絲為填充材料對18 mm厚防彈鋁合金板材7B52-T6進(jìn)行焊接工藝試驗，分析對接接頭焊縫顯微組織和力學(xué)性能，為防彈鋁合金中厚板的焊接提供試驗依據(jù)和理論支撐。結(jié)果表明，選定的焊接材料和制定的焊接工藝合理可行，無損探傷、宏觀金相試驗未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，能夠滿足Ⅰ級焊縫質(zhì)量要求，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到287.3 MPa，焊接系數(shù)約為0.52;該項焊接工藝評定各項性能均達(dá)到相關(guān)要求，評定合理，可用于指導(dǎo)7B52-T6鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接。

關(guān)鍵詞：7B52-T6鋁合金;MIG焊;對接接頭;焊接工藝

中圖分類號：TG457.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0089-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.16

0? ? 前言

7B52-T6是在裝甲鋁合金7A52基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型輕量化防護(hù)材料，其厚度大于等于18 mm，可具備“ 53式7.62 mm普通彈、100 m未穿透 ”的抗彈能力，是現(xiàn)有裝甲鋁合金抗彈性能最高的防護(hù)材料，被稱為“ 防彈鋁合金 ”;同時也是某裝甲車所選用的防護(hù)材料，具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的軍事、經(jīng)濟(jì)效益[1]。

7B52-T6為疊層鋁合金材料，由7A52、7A62和7A01三種鋁合金疊加復(fù)合而成，具有高強(qiáng)、高韌、抗高應(yīng)變速率沖擊等特點;其相對密度只有鋼鐵的1/3，用抗高速變形、高強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料代替防護(hù)鋼鐵材料，符合輕量化發(fā)展需求，其結(jié)構(gòu)可相應(yīng)減輕30%～40%的質(zhì)量，以達(dá)到整車輕量化的目的[2]。但鋁合金材料具有導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量、熱膨脹系數(shù)較大的特點，且易氧化，焊縫易產(chǎn)生氣孔，解決和提高鋁合金焊接質(zhì)量的重要性也就日益凸顯。攪拌摩擦焊雖可使16 mm厚7B52-T6對接接頭強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的68.6%[3]，但因其焊接設(shè)備成本高、焊接接頭可達(dá)性比手工MIG焊差，因此MIG焊仍是該鋁合金車輛制造過程中不可或缺的焊接方法。

7B52-T6鋁合金的熱裂紋傾向大、焊接性相對較差[4]，與之相關(guān)的焊接研究較少，為滿足研發(fā)制造防彈裝甲車的需要，需對7B52-T6鋁合金進(jìn)行MIG焊工藝試驗研究。文中以18 mm厚7B52-T6鋁合金板材為基材，采用MIG焊方法，對焊接接頭的力學(xué)性能和顯微組織進(jìn)行研究，為防彈鋁合金中厚板焊接提供試驗依據(jù)和理論支撐。

1 試驗材料及方法

1.1 防彈鋁合金7B52-T6的結(jié)構(gòu)性

防彈鋁合金7B52-T6產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為7A01/7A52/7A01/7A62/7A01，7B52-T6各層結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

其中，7A01作為包鋁材料的包覆層和疊層板的粘接劑，7B52鋁合金疊層板層間界面結(jié)合強(qiáng)度≥80 MPa。7A62板材維氏硬度為173 HV，7A52板材維氏硬度為120 HV。7B52鋁合金疊層板各層化學(xué)成分如表1所示，7B52-T6疊層鋁板所用材料的室溫力學(xué)性能如表2所示，7B52-T6疊層鋁板室溫力學(xué)性能由7A62合金來表征[5-6]。

1.2 試驗材料

試驗?zāi)覆臑?B52鋁合金板材，T6態(tài)，板材尺寸350 mm×200 mm×18 mm;基于焊縫熔覆金屬的等成分原則，同時為降低接頭的熱裂紋傾向和提高其抗應(yīng)力腐蝕能力，焊接材料選用ER5356焊絲，直徑φ1.2 mm，其化學(xué)成分見表3。該焊絲屈服強(qiáng)度為150 MPa，抗拉強(qiáng)度下限為240 MPa，延伸率A為17%。保護(hù)氣選用高純氬氣，純度≥99.999%，符合GB4842-1995的要求[7]。

1.3 試驗方法

試驗采用TPS5000福尼斯焊機(jī)，該焊機(jī)具有鋁合金焊接模塊，焊接時換裝鋁合金焊接專用送絲機(jī)構(gòu)。根據(jù)GB/T22086-2008《鋁及鋁合金弧焊推薦工藝》和GJB294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》要求，焊接接頭為X型坡口對接接頭，如圖2所示，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

焊前對墊板和試板均用丙酮進(jìn)行清洗，表面的氧化膜用鋼絲刷清除。焊接時接頭兩頭加引弧板，并預(yù)留15°～20°的反變形量，按表4的焊接工藝參數(shù)先進(jìn)行打底焊，然后雙面多層多道交互焊接，焊絲干伸長度控制在12～15 cm，層間應(yīng)清根徹底。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊縫的無損探傷

通過目視檢測，7B52鋁合金對接接頭焊縫表面成形良好，產(chǎn)生飛濺較小、熔合情況良好、無氣孔、裂紋等焊接缺陷，焊縫表面狀態(tài)如圖3所示。

按照NB/T47013.2方法對MIG焊對接焊縫進(jìn)行射線檢測，焊縫X射線探傷底片如圖4所示。結(jié)果表明對接接頭射線檢測無裂紋、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷，焊縫射線探傷達(dá)到Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 對接接頭的拉伸性能

按國標(biāo)GB2651-2008在試板上橫向制取拉伸試樣，拉伸試驗在拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗結(jié)果如表5所示。結(jié)合《7B52疊層裝甲鋁合金板材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，其抗拉強(qiáng)度下限為550 MPa，試驗結(jié)果表明，7B52-T6鋁合金焊接接頭的拉伸性能良好，其抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到287.3 MPa，焊接系數(shù)約為0.52。對接接頭斷裂位置為焊縫處，7B52鋁合金焊接接頭的拉伸性能實際為焊縫性能。因母材7B52熱處理狀態(tài)為T6態(tài)，通過固溶熱處理+時效強(qiáng)化，強(qiáng)度較高;而熔敷金屬ER5356為5系A(chǔ)l-Mg合金，強(qiáng)化元素含量少，抗拉強(qiáng)度下限為240 MPa，與母材為低強(qiáng)匹配關(guān)系，強(qiáng)度差異較大。

該接頭斷后延伸率較小，彎曲試樣全部斷裂，因此，彎曲試驗未計入在內(nèi);另母材為疊層復(fù)合板，均為7系高強(qiáng)鋁合金，標(biāo)準(zhǔn)中明確指出該材料不做彎曲試驗。在GB/T 19869.2-2012 鋁及鋁合金的焊接工藝評定試驗中，對鋁合金焊接接頭的沖擊試驗未做要求，因此未進(jìn)行。

2.3 對接接頭的微觀組織分析

7B52鋁合金對接接頭放大50倍和200倍金相照片如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，母材區(qū)域呈明顯的帶狀分布，為軋制的纖維狀組織，原因是母材在三種板材（7A52、7A62和7A01）軋制過程中化合物破碎、晶粒沿軋制方向排布;熱影響區(qū)組織晶粒相對母材明顯粗化，這是因為該處組織在焊接熱循環(huán)下發(fā)生了再結(jié)晶[8-9];熔合區(qū)組織形態(tài)不一致，靠近焊縫區(qū)一側(cè)晶粒相對粗大，靠近熱影響區(qū)一側(cè)均呈細(xì)小等軸晶，這是因為靠近焊縫區(qū)溫度較高，冷卻速度慢，晶粒生長時間長，晶粒長大明顯，靠近熱影響區(qū)則相反，晶粒尺寸較小;焊縫中心的顯微組織為粗大的等軸晶，該處組織與焊絲和母材熔覆率有關(guān)，焊接過程中焊縫中心高溫停留時間長，晶粒長大時間充分，該區(qū)域焊縫等軸晶尺寸大于熔合區(qū)細(xì)晶區(qū)晶粒尺寸。

2.4 對接接頭的顯微硬度

采用維氏硬度計按照 GB/T3246.1-2000要求對接頭試樣進(jìn)行顯微硬度測量。7B52疊層鋁合金MIG焊對接接頭的顯微硬度分布如圖7所示。從圖7可以看出，對接接頭焊縫區(qū)域硬度值明顯低于熱影響區(qū)及母材，對接接頭從焊縫中心到兩側(cè)，硬度分布為焊縫<熱影響區(qū)&熔合區(qū)<母材。因硬度是材料塑性和彈性的綜合反映，對接接頭顯微硬度分布規(guī)律恰好對拉伸試件斷裂在焊縫區(qū)進(jìn)行了驗證。7B52鋁合金為Al-Zn-Mg系合金，經(jīng)固溶+時效強(qiáng)化處理后沉淀強(qiáng)化相多，且軋制組織致密度高，故母材硬度最高，平均值為187 HV;熱影響區(qū)顯微硬度分布不均勻，硬度先升后降，這是因為熱影響區(qū)發(fā)生再結(jié)晶和不完全再結(jié)晶，接頭冷卻速度快，強(qiáng)化相來不及析出，該區(qū)域平均硬度為151 HV;熔合區(qū)平均硬度為131 HV，從焊縫區(qū)到熔合區(qū)硬度急劇上升，該區(qū)域等軸細(xì)晶區(qū)硬度高于粗晶區(qū);焊縫區(qū)硬度最低為88 HV。這是因為熔敷金屬ER5356抗拉強(qiáng)度下限為240 MPa，與母材為低強(qiáng)匹配關(guān)系，強(qiáng)度差異較大，焊接過程溫度較高，元素?zé)龘p嚴(yán)重，同時焊縫區(qū)析出強(qiáng)化相少于母材，故其硬度和強(qiáng)度都較低，焊縫弱化明顯。

對接接頭金相組織結(jié)構(gòu)和顯微硬度分布規(guī)律印證了焊縫區(qū)域各部分性能不一致性，尤其是對拉伸試件在焊縫區(qū)斷裂進(jìn)行了驗證。7B52-T6鋁合金主要用于特種車輛的裝甲防護(hù)，不承受橫向載荷，該試驗結(jié)果可以滿足設(shè)計強(qiáng)度需求。

3 結(jié)論

（1）7B52-T6鋁合金對接接頭選用ER5356焊絲，采用福尼斯TPS5000焊機(jī)進(jìn)行MIG焊后，抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到287.3 MPa，焊接系數(shù)約為0.52，能夠滿足Ⅰ級焊縫質(zhì)量要求，獲得良好效果。

（2）焊接接頭母材為軋制狀纖維組織，熱影響區(qū)晶粒粗化，熔合區(qū)、熔化區(qū)和未熔化區(qū)組織形態(tài)不同;焊縫區(qū)顯微硬度最低，母材硬度最高，熱影響區(qū)硬度分布不均勻。

（3）試驗結(jié)果表明，所選用的焊接設(shè)備、焊接材料合理，工藝參數(shù)匹配適當(dāng)，各項性能指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)要求，評定合理，可用于實際焊接生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

毛華，周古昕，王生，等.含Sc焊絲對7B52疊層鋁合金焊接接頭組織與性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程，2018，41（2）：73～77.

王炎金.鋁合金車體焊接工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

陳昱杉. 疊層復(fù)合裝甲鋁合金7B52攪拌摩擦焊焊接研究[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2018.

宋友寶，李龍，呂金明，等. 7xxx系鋁合金焊接研究現(xiàn)狀與展望[J].中國有色金屬學(xué)報，2018（3）：492-501.

戴勝龍等.先進(jìn)航空鋁合金材料與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

鄭峰.鋁與鋁合金速查手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

張勝男，盧仲海，劉建國. LG5高純鋁管焊接[J]. 建材與裝飾，2019（25）：221-222.

章友誼，劉華，朱小兵. 7A52鋁合金MIG焊焊接接頭顯微組織和性能研究[J]. 熱加工工藝，2013，42（19）：172-174.

黃琰. 《鋁合金焊接接頭循環(huán)變形行為的實驗研究和數(shù)值模擬》[D]. 四川：西南交通大學(xué)， 2018.