5083-H111鋁合金軋制板焊接性能及組織研究

王 強，張坤倫

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，高速列車輕量化成為鐵路運輸行業(yè)現(xiàn)代化的重要目標[1]。由于鋁合金材料具有諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代交通運輸領(lǐng)域中[2]，特別是高速車輛中。相比于如塑料、普通鋼材、不銹鋼等其他材料，鋁合金具有更好的安全性、科學(xué)性和經(jīng)濟性[3]。隨著鋁合金產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，也給焊接工藝提出了更高要求，特別是5×××系和6×××系鋁合金。其中的5083鋁合金是一種典型的結(jié)構(gòu)用鋁合金，具有質(zhì)量輕、比強度高、耐腐蝕性能和加工性能優(yōu)良等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道運輸、汽車、電工化工、橋梁建筑、導(dǎo)彈零件等大型工業(yè)領(lǐng)域[4-5]。

目前，大多數(shù)針對鋁合金5083-H111的研究主要是研究不同焊接參數(shù)對焊接接頭的影響。而本文主要針對5083-H111鋁合金軋制板材的焊接性能及組織進行研究，采用自動化焊接，分析軋制板材焊接性能，進而獲得理想的焊接接頭，驗證軋制板的焊接性能，為其自動化焊接生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2塊5 mm厚的5083-H111軋制板，其母材成分如表1所示。

表1 5083-H111鋁合金板材化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

試驗選用的焊材為某公司生產(chǎn)的進口焊絲EN ISO18273 S AL 5087，焊材成分如表2所示。

表2 焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

本試驗使用自動MIG焊對試板進行焊接，設(shè)備選用型號為RTI 496-S的IGM懸臂機械手，焊機型號為Fronius TPS 5000。采用自動焊焊接試板，坡口形式為70°V型坡口，詳見圖1所示。

圖1 坡口形式及焊縫示意圖

焊前使用酒精及碗刷清除坡口及其兩側(cè)各50 mm區(qū)域內(nèi)的油污及氧化膜，并使用工裝夾具夾緊兩塊試板。焊接時，采用兩層兩道焊接法進行焊接，保護氣體為99.999%的氬氣，氣體流量為45 L/min。經(jīng)焊接試驗優(yōu)化，確定最佳焊接參數(shù)如表3所示。

表3 試板焊接參數(shù)

焊后分別對母材和焊縫按照ISO檢驗標準對試板進行外觀檢測、滲透檢測等無損檢測，確定符合標準ISO10042-B級要求后，對焊接試板進行加工取樣，分別進行力學(xué)試驗、微觀組織觀察、顯微硬度試驗，分析焊縫微觀組織，驗證最佳自動化焊接工藝參數(shù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 微觀金相分析

在5083-H111的母材區(qū)截取金相試樣。母材微觀金相試樣經(jīng)研磨和拋光后，用Keller試劑酸腐蝕，在Neept-21型臥式金相顯微鏡下觀察分析。母材區(qū)金相試樣的微觀金相如圖2所示。從圖中可知，母材組織中存在著大量的狹長軋制組織，主要為α相及已從中充分析出的彌散β相，晶粒則以再結(jié)晶的等軸晶組織和冷加工變形的纖維組織這兩種狀態(tài)混合共存，其中α相為Mg在Al中的固溶體，β相為Mg與Al形成的金屬化合物Mg2Al3[5-6]。

圖2 5083-H111鋁合金母材微觀金相（200倍）

焊接接頭微觀金相試樣經(jīng)研磨和拋光后，用Keller試劑酸腐蝕，在Neept-21型臥式金相顯微鏡下觀察分析。焊接接頭各部位微觀金相圖片如圖3所示。圖3（a）中標記1、2、3、4、5分別對應(yīng)焊接接頭的熱影響區(qū)（HAZ區(qū)）、蓋面焊熔合區(qū)、打底焊熔合區(qū)、蓋面焊焊縫區(qū)和打底焊焊縫區(qū)。

圖3 5083-H111鋁合金焊接接頭微觀金相

從圖3（b）上可以看出，晶粒較母材有一定程度的晶粒長大情況，且部分位置出現(xiàn)晶粒異常粗大現(xiàn)象，這是由于熱影響區(qū)受到焊縫區(qū)域的熱傳導(dǎo)的影響，使部分晶粒合并長大，導(dǎo)致β相強化減弱，但纖維組織會再結(jié)晶并向等軸晶轉(zhuǎn)變。原有β相、新析出β相以及纖維組織再結(jié)晶生成析出的β相直接造成了HAZ區(qū)的β相數(shù)量增多，這時β相的彌散強化對強度的提高足以彌補部分晶粒粗大的損失，甚至?xí)蛊溆兴岣摺?/p>

圖3（c）、（d）所示熔合區(qū)的晶粒在焊縫區(qū)影響下，晶粒明顯長大，但β相的數(shù)量比母材區(qū)、HAZ區(qū)的明顯增多，其中小尺寸的β相占據(jù)了相當(dāng)大的比例。由于在焊接時，近焊縫熔合區(qū)的化學(xué)成分與母材相近，此區(qū)域會完全熔化，在其結(jié)晶過程中會析出大量的β相。這些析出或重新聚集長大的β相對熔合區(qū)起到彌散強化作用[7]。

圖3（e）、（f）取自焊縫區(qū)，其組織為典型的鑄態(tài)金屬枝狀晶。蓋面焊的焊縫區(qū)，枝狀晶較細小且均勻分布，部分部位聚集嚴重；而圖3（f）的打底焊的焊縫區(qū)，枝狀晶較粗大，且晶粒嚴重聚集。這是因為在焊接過程中焊縫區(qū)溫度較高，凝固時散熱方向受限，所以冷卻速度比焊接接頭其他部位慢，易形成粗大的結(jié)晶。此外，焊縫區(qū)金屬凝固時的不均勻性以及焊絲成分中含量較高的Mg和Mn，易造成低熔點共晶物在晶界處偏析聚集，從而更易形成較大的晶粒，故板材焊縫的下部晶粒明顯大于表面部分。

2.2 顯微硬度試驗及分析

在焊縫、母材及熱影響區(qū)分別取點進行試驗，在用相同參數(shù)焊接的3個試板上分別取3個平面試樣進行硬度試驗，檢測焊縫硬度，獲得的顯微硬度試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 焊接接頭橫向顯微硬度分布圖

從焊縫層面硬度變化曲線可以看出，焊縫區(qū)域強度略高于母材，這是因為填充焊絲強度略高于母材導(dǎo)致焊縫強度提升。但是熱影響區(qū)和母材的硬度基本一致，并未發(fā)生因焊接導(dǎo)致的熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。同時，5083-H111是經(jīng)過加工硬化處理的鋁合金，本身硬度很高，由于焊接熱循環(huán)的影響，使熱影響區(qū)的組織發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，使接頭軟化，焊縫中心為樹枝狀鑄態(tài)組織，并且靠近熔合線處還有柱狀晶的存在，即使晶粒尺寸較小，但其硬度也沒有母材硬度大。總體來看，從熱影響區(qū)到母材，硬度的變化都不大，這也從側(cè)面驗證了焊縫熔合線區(qū)域內(nèi)性能的均勻性[8]。

2.3 拉伸試驗結(jié)果及分析

為保證焊縫強度系數(shù)的準確性，對母材及試板均進行了拉伸試驗，試驗在AG-X 250KN電子萬能試驗機上進行。母材的拉伸結(jié)果見表4，焊接的試板拉伸結(jié)果見表5。

表4 母材拉伸結(jié)果

表5 焊接試樣拉伸結(jié)果

從兩表中可以看出，焊接試板的抗拉強度僅略低于母材，最小焊縫強度系數(shù)為0.920，平均焊縫強度系數(shù)為0.959，說明5083-H111鋁板雖然焊縫斷裂位置均在焊縫區(qū)域，但是強度基本和母材接近，說明其具有良好的焊接性。

從表5中可以發(fā)現(xiàn)，與可熱處理鋁合金的拉伸斷裂位置主要發(fā)生在HAZ區(qū)的軟化部位不同，焊接試板的斷裂位置均處于焊縫區(qū)。由于焊縫區(qū)域峰值溫度超過再結(jié)晶溫度，晶粒再結(jié)晶，經(jīng)過加工硬化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力消除，焊縫區(qū)域晶粒長大嚴重，導(dǎo)致焊接接頭的硬度降低，甚至抵消了冷作硬化的強化效果，所以斷裂位置發(fā)生在焊縫區(qū)[9]。

3 結(jié)論

（1）5083-H111鋁合金軋制板焊接時，焊接HAZ區(qū)和熔合區(qū)會析出大量的β相，均勻地彌散在基體上，起到彌散強化作用。盡管軋制板材本身經(jīng)加工硬化可以抵消一部分晶粒長大帶來的強度損失，但是由于焊縫區(qū)域晶粒長大更嚴重，所以才會在焊縫區(qū)域出現(xiàn)拉伸試驗斷裂的現(xiàn)象。

（2）5083-H111鋁合金軋制板的自動化焊接，其焊接接頭力學(xué)性能良好，可以顯著提高焊接效率，對汽車及軌道車體部分部件的自動化焊接有參考意義。