不同成分鋁合金擠壓型材焊接性能研究

周廣宇，尚 文，胡 皓，王德營，李金龍，榮 偉

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

合金輕量化對生產(chǎn)制造業(yè)有著重要意義，在確保型材綜合性能的前提下，使用鋁合金降低自身重量，可以達(dá)到減重、降耗、環(huán)保和安全的目的。鋁合金是一種典型的輕質(zhì)金屬，而Al-Mg-Si合金則是典型可熱處理強(qiáng)化鋁合金，因其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通和建筑模板等行業(yè)[1-5]。無論是應(yīng)用在何種領(lǐng)域，各個部位的連接不可避免的涉及到焊接。鋁合金的焊接技術(shù)主要包括熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)、攪拌摩擦焊、激光焊和激光復(fù)合焊接等[6-12]。常用的焊接為MIG焊和TIG焊接，但焊后的接頭位置容易出現(xiàn)軟化，直接或間接影響材料的使用[12-13]。因此，研究不同成分鋁合金的焊后接頭與接頭邊緣位置的力學(xué)性能變化趨勢，對提高6系合金焊接接頭強(qiáng)度具有一定的參考價值。

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域[14]。型材在進(jìn)行MIG焊接時，受到焊接熱循環(huán)的影響，焊縫兩側(cè)處于固態(tài)的母材發(fā)生明顯的組織和性能變化的區(qū)域，稱之為焊接熱影響區(qū)，簡稱HAZ(Heat Affected Zone)。熱影響區(qū)臨近焊縫處溫度較高，超過了材料的固溶溫度，加上冷卻速度快，形成了淬火區(qū)。遠(yuǎn)離焊縫處的位置，熱循環(huán)的溫度低于固溶溫度，但高于時效溫度，會出現(xiàn)過時效，形成熱影響區(qū)軟化區(qū)。遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的的位置未受到焊接熱循環(huán)的影響，即為母材。焊縫處各區(qū)域如圖1所示。

6060、6005A和6061是常用的鋁合金，本文通過研究不同T6合金對焊接接頭不同位置(平行于焊縫)力學(xué)性能的影響，以期得到不同的合金成分與焊縫附近力學(xué)性能的內(nèi)在聯(lián)系，為該合金在工業(yè)、汽車和軌道等方面的生產(chǎn)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 焊縫處各區(qū)域圖Fig.1 Drawing of each area of the weld

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取三種不同成分的鋁合金擠壓型材進(jìn)行焊接試驗(yàn)，合金成分見表1。其工藝流程為：擠壓→時效→切取料樣→未開/開坡口→焊接→平行焊縫不同位置處切取力學(xué)試樣→力學(xué)檢測。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of test materials (mass fraction，%)

選取型材截面圖與位置如圖2所示。焊絲選用ER5356焊絲，其成分見表2。

(a)6060鋁合金(壁厚3.7 mm)；(b) 6005A鋁合金(壁厚4 mm)；(c) 6061鋁合金(壁厚3 mm)圖2 擠壓型材截面圖與焊接位置(a) 6060 aluminum alloy (wall thickness 3.7 mm); (b) 6005A aluminum alloy (wall thickness 4 mm); (c) 6061 aluminum alloy (wall thickness 3 mm)Fig.2 Extrusion profile section and welding position

表2 ER5356焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of ER5356 welding wire(mass fraction，%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

按照圖2標(biāo)記位置分別對應(yīng)切取料樣，將其分為開坡口(45°)、未開坡口和母材試樣，并分別進(jìn)行焊接。試驗(yàn)設(shè)備為松下YD-500GE MIG焊機(jī)、坡口設(shè)備及電子萬能拉伸機(jī)，如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)方法

將準(zhǔn)備好的坡口試樣和不開坡口試樣分別進(jìn)行焊接，焊接前后試樣如圖4(a)和4(b)所示。以焊縫中心位置為起點(diǎn)，兩側(cè)在最接近焊縫位置且能保證能夠取樣的位置每隔30 mm取一個試樣，母材也在同樣位置切取試樣，取樣位置如圖4(c)所示。進(jìn)行電子萬能拉伸機(jī)力學(xué)性能檢測，以12 mm/min的拉伸速度進(jìn)行室溫力學(xué)性能測試。

(a)YD-500GE MIG焊機(jī)；(b)開坡口設(shè)備；(c) 電子萬能拉伸機(jī)圖3 試驗(yàn)設(shè)備(a)YD-500GE MIG welding machine;(b)beveling equipment;(c)electronic universal stretching machineFig.3 Experimental equipment

1.4 焊接工藝

表3為本試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)。其中編號1、2和3為無坡口試樣焊接，編號P1、P2和P3為坡口試樣焊接。表3中熱輸入的計算為：

Q=N×U×I/V

式中：Q為焊接熱輸入量(J/mol)；U為電弧電壓(V)；I為焊接電流(A)；V為焊接速度(cm/s)；N為電弧的功率系數(shù)，本次計算取0.8。

(a) 焊接前；(b) 焊接后；(c) 取樣位置圖4 焊接前后試樣及取樣位置對照圖(a)before welding; (b)after welding; (c) sampling locationFig.4 Sample before and after welding and comparison diagram of sampling location

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能檢測結(jié)果

按照圖4(c)取樣后進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果如表4～6所示(試樣編號中P代表開坡口焊接，D代表以焊縫為中心的對面相對位置)。

2.2 分析和討論

通過表4～6的力學(xué)性能對比發(fā)現(xiàn)：6005A鋁合金坡口焊接試樣的力學(xué)性能低于母材，約20～30 MPa；6005A鋁合金坡口焊接試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度略低于未開坡口焊接，約10～20 MPa。6061鋁合金和6060鋁合金焊接試樣與母材的力學(xué)性能、開坡口焊接與未開坡口焊接試樣的力學(xué)性能均無較大差異，在10 MPa以內(nèi)。對比表3可知，不同合金焊接熱影響區(qū)及外圍母材的力學(xué)性能未受到焊接熱輸入的影響。

表4 6060鋁合金焊接試樣力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of 6060 aluminium alloy welded specimens

表5 6005A鋁合金焊接試樣力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of 6005A aluminium alloy welded specimens

表6 6061鋁合金焊接試樣力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of 6061 aluminium alloy welded specimens

對于鋁合金焊接加熱時，受焊接熱的影響，接頭焊縫區(qū)兩側(cè)依次為局部熔化區(qū)、淬火區(qū)、過時效區(qū)及母材金屬，如圖1所示。焊縫屬于焊絲與基體熔化后的激冷結(jié)晶組織，在靠近焊縫的位置(局部熔化區(qū))，受焊接熱的影響，溫度高，晶粒粗化會導(dǎo)致力學(xué)性能降低。隨著距離焊縫位置的遠(yuǎn)離，Mg和Si元素溶入基體中形成過飽和固溶體，焊件冷卻過程中由于金屬的導(dǎo)熱快，產(chǎn)生淬火效應(yīng)，形成粗大晶粒，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。在離焊道較遠(yuǎn)的位置，焊接加熱的溫度超過原有的時效溫度，但溫度又未達(dá)到固溶的程度，會出現(xiàn)過時效效應(yīng)，如圖1所示的軟化區(qū)，此時主要強(qiáng)化相Mg2Si在焊件冷卻過程中發(fā)生聚集長大，導(dǎo)致性能下降[15]。

針對6060、6005A和6061鋁合金的主要元素分別進(jìn)行成分檢測，檢測結(jié)果見表7。6060、6005A和6061鋁合金的Mg/Si值均小于1.73，這說明三種合金中Si含量過剩，當(dāng)Mg過剩時會降低強(qiáng)化相Mg2Si在基體中的固溶度，導(dǎo)致合金時效強(qiáng)化能力不足；但過剩的Mg能提高合金的可焊性，但目前鋁合金生產(chǎn)對強(qiáng)度也具有一定的要求，所以通常不會保證Mg過量。

表7 合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 7 Chemical composition of alloys (mass fraction，%)

由表7可知，當(dāng)0.96≤Mg/Si≤1.70時，熱影響區(qū)與母材力學(xué)相差較??；而當(dāng)Mg/Si<0.9時，則會與母材出現(xiàn)略為明顯的力學(xué)性能差異。根據(jù)Al-Si二元共晶相圖可知，在共晶溫度577 ℃時，Si在固溶體中的最大溶解度為1.65%，且溶解度隨著溫度的降低而減少，Si過剩通常會通過改變亞穩(wěn)相Mg/Si比、尺寸、分布等促進(jìn)β-Mg2Si相均勻分布，組織細(xì)化；但超過一定量的過剩Si，則會偏聚在晶界上增加合金的晶間腐蝕敏感性，從而降低力學(xué)性能。6060和6061鋁合金均含有不超過0.3%的過剩Si，適量的過剩Si可溶于基體中，提高合金的力學(xué)性能。6005A鋁合金超過0.3%的過剩Si，同時存在大于6060和6061鋁合金的Mn含量，多余的Si會與Al、Mn形成AlMnSi相，該相的強(qiáng)化作用弱于Mg2Si相[16]；過量的硅也會在相界處富集，與Al基體形成魚骨狀或不均勻形狀粗大相，從而導(dǎo)致6005A鋁合金的力學(xué)性能有所降低。

3 結(jié)論

1)開坡口焊接試樣的焊道寬度大于未開坡口試樣，焊接試樣的力學(xué)性能未隨著距離焊縫位置的遠(yuǎn)近而發(fā)生明顯變化。

2)6060和6061鋁合金距焊縫最近處力學(xué)與母材相差約10 MPa，其他較遠(yuǎn)位置幾乎沒有差異；而6005A鋁合金焊接試樣受較多的過剩Si和AlMnSi相的影響，距焊縫最近處與母材相差約20～30 MPa，其他位置力學(xué)性能要略低于母材的性能；但同一組焊接試樣，不同位置差異不大。

3)6060和6061鋁合金開坡口焊接與未開坡口焊接的力學(xué)性能無明顯差異；而6005A鋁合金開坡口焊接的力學(xué)性能要略低于未開坡口焊接，相差約10～20 MPa。

4)同一合金開坡口焊接與未開坡口焊接熱輸入不同，但力學(xué)性能數(shù)值差異不大，不同合金焊接試樣的力學(xué)性能未受到焊接熱輸入的影響。