6008鋁合金不同焊接接頭的組織和性能研究

李 歡，鄧 鑫，齊芃芃，葉樹茂，黃 晨

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的不斷深化及汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車車身材料高耗能、高污染帶來(lái)的社會(huì)問題也日益嚴(yán)重, 汽車輕量化是整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。鋁及鋁合金因其具有密度低、比強(qiáng)度高、成形加工性能好、可再生重復(fù)回收利用、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn), 備受人們的重視, 成為汽車輕量化的理想材料[1]。目前，主要是從車身輕量化入手，通過(guò)簡(jiǎn)化車身結(jié)構(gòu)，利用更為輕便的材料進(jìn)行車身設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的汽車車身多采用鋼材，為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化發(fā)展，選擇更為合理的材料是當(dāng)前的主要工作。鋁合金質(zhì)量約為鋼材的1/3，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要車身材料。同時(shí)，鋁合金材料還可以回收利用，有效減少資源消耗和浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)汽車制造行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的有機(jī)統(tǒng)一[2]。

6008合金屬于6XXX系可熱處理強(qiáng)化中等強(qiáng)度鋁合金，具有良好的熱成形性、抗蝕性、冷變形性、焊接性能、疲勞性能和韌性，是瑞士鋁業(yè)協(xié)會(huì)在國(guó)際上注冊(cè)的合金，由6005A合金發(fā)展而來(lái)[3]。兩者的區(qū)別主要是6008合金中加入了0.05～0.15%V[4]。由于因該合金具有良好的吸能性，因而被廣泛應(yīng)用于汽車防撞梁、吸能盒等部件上。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)6008鋁合金焊接接頭的研究較少。因此，本試驗(yàn)分別采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)、非熔化極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)、激光填絲焊(LBW)對(duì)6008鋁合金進(jìn)行焊接，研究不同焊接方法對(duì)6008-T7鋁合金焊接接頭微觀組織與性能的影響，為6008鋁合金在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用尺寸為300 mm×150 mm×2 mm的6008-T7(過(guò)時(shí)效狀態(tài))鋁合金板材，MIG焊和LBW焊選用焊接生產(chǎn)中常用于焊接6XXX系鋁合金的ER5356鋁合金焊絲，焊絲直徑為φ1.2 mm。TIG焊也選用ER5356焊絲，焊絲直徑為φ2.4 mm。表1和表2分別為6008-T7鋁合金與ER5356焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能。

表1 6008-T7鋁合金及ER5356焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 6008-T7鋁合金及ER5356焊絲力學(xué)性能

1.2 焊接過(guò)程

本試驗(yàn)采用的接頭形式為對(duì)接，為保證焊縫熔透、減少焊接缺陷，焊前進(jìn)行開坡口處理，坡口形式為V形，坡口角度為70°，坡口尺寸如圖1所示。使用的弧焊設(shè)備為福尼斯TPS5000手工MIG焊機(jī)、松下YC-300BP手工TIG焊機(jī)；激光焊設(shè)備為德國(guó)通快Trudisk 8002碟片式激光器、TRUMPF BEO D70激光頭、通快直徑200 um光纖、福尼斯Magic Wave4000送絲機(jī)構(gòu)、KUKA公司生產(chǎn)的KR90六軸機(jī)器人。焊接前使用丙酮清洗母材表面的油污、灰塵等污染物，并用氣動(dòng)鋼絲刷打磨坡口及其兩側(cè)30 mm區(qū)域內(nèi)的氧化膜直至露出銀白色金屬光澤；然后將處理好的母材在工作臺(tái)上用夾具固定好；最后使用酒精清理打磨后的區(qū)域，待酒精揮發(fā)后進(jìn)行焊接[4]。焊接過(guò)程中所使用的焊接工藝參數(shù)見表3。

t1=t2=2 mm,α=70°,b=0.5～1.0

表3 焊接工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

采用島津AG-X 100KNH型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，加載速率10 mm/min，拉伸試樣厚度為2 mm，每組測(cè)試2個(gè)試樣，測(cè)試結(jié)果取平均值。采用島津AG-X 100KNH型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行正面和背面彎曲試驗(yàn)，每組測(cè)試2個(gè)試樣，彎曲試樣厚度為2 mm。采用蔡司M2m光學(xué)顯微鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相組織觀察。采用島津SSX-550分析掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸試樣斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭拉伸性能

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 4136—2001《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 橫向拉伸試驗(yàn)》對(duì)三種焊接方法的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表4。結(jié)果表明：拉伸試樣均在熱影響區(qū)處斷裂，這是由于整個(gè)熱影響區(qū)都受到了焊接熱作用而產(chǎn)生了軟化現(xiàn)象所致；LBW焊接接頭的抗拉強(qiáng)度要明顯高于MIG焊和TIG焊，這是由于LBW焊相對(duì)于MIG焊與TIG焊來(lái)說(shuō)，能量更為集中，且具有更低的熱輸入和更小的熱影響區(qū)[6]。

表4 拉伸測(cè)試結(jié)果

2.2 焊接接頭彎曲性能

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 5173—2009《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 彎曲試驗(yàn)》對(duì)三種焊接方法的焊接接頭進(jìn)行彎曲試，彎曲試樣如圖2所示，測(cè)試結(jié)果見表5。由結(jié)果可知：三種焊接方法的焊接接頭彎曲試樣均未發(fā)生斷裂，且試樣表面均未見長(zhǎng)度大于3 mm的裂紋，說(shuō)明這三種焊接接頭均具有良好的彎曲性能。

表5 彎曲測(cè)試結(jié)果

(a)MIG焊；(b)TIG焊；(c)LBW焊

2.3 金相組織觀察

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)三種焊接接頭的焊縫及熔合線處進(jìn)行金相組織觀察，如圖3所示。由圖3可知：三種焊接接頭的焊縫區(qū)均為典型的鑄態(tài)組織，呈網(wǎng)狀的枝晶組織形態(tài)，且LBW焊的焊縫區(qū)晶粒較其他兩種焊接接頭更為細(xì)小。這是由于激光焊接是一個(gè)快速加熱和快速冷卻的過(guò)程，激光與焊接材料之間相互作用的時(shí)間很短，焊縫區(qū)的溫度梯度較大，焊接熔池的冷卻速度非?？?，增加了過(guò)冷度，導(dǎo)致晶體的形核率與長(zhǎng)大速度均增加，但兩者的增加速度不同，形核率的增長(zhǎng)率大于長(zhǎng)大速度，因此焊縫區(qū)的晶粒得到了有效的細(xì)化[7]。三種焊接接頭的熔合線附近均為典型的柱狀晶組織，且LBW焊熱影響區(qū)中靠近熔合線區(qū)域的母材受焊接熱循環(huán)作用產(chǎn)生晶粒粗大的現(xiàn)象最不明顯，而TIG焊焊接接頭最為明顯[8]。這是由于該區(qū)域經(jīng)歷了快速凝固的過(guò)程，一次枝晶的生長(zhǎng)方向受到凝固過(guò)程中溫度梯度的影響，因此在焊縫熔合線附近區(qū)域出現(xiàn)垂直于熔合線方向的柱狀樹枝晶[9]。而且由于TIG焊的焊接熱輸入較高，使熱影響區(qū)在高溫停留的時(shí)間延長(zhǎng)，積累了更多的能量，造成靠近熔合線區(qū)域的母材晶粒粗大，晶界減少。當(dāng)材料變形時(shí)位錯(cuò)和滑移繞過(guò)晶界所需的能量降低，表現(xiàn)為接頭的抗拉強(qiáng)度低[10]，這與拉伸性能的測(cè)試結(jié)果一致。

(a)MIG焊焊縫；(b)MIG焊熔合線；(c)TIG焊焊縫；(d)TIG焊熔合線；(e)LBW焊焊縫；(f)LBW焊熔合線

2.4 拉伸斷口形貌

采用掃描電子顯微鏡對(duì)三種焊接接頭的拉伸試樣斷口形貌進(jìn)行觀察，如圖4所示。由圖4可知，MIG焊和LBW焊的韌窩數(shù)量較多，尺寸較小，分布較為均勻，說(shuō)明焊接接頭的塑性變差，斷裂機(jī)理為韌性斷裂；TIG焊接頭的韌窩數(shù)量較少，但韌窩大而深，且韌窩大小不均勻，表現(xiàn)出良好的塑韌性，斷裂機(jī)理為韌性斷裂[11]。

(a)MIG焊；(b)TIG焊；(c)LBW焊

3 結(jié)論

1)LBW焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于MIG焊和TIG焊，且接頭系數(shù)也略高于MIG焊和TIG焊；

2)三種焊接接頭均具有良好的彎曲性能；

3)LBW焊接接頭的焊縫區(qū)、熔合區(qū)晶粒比MIG焊和TIG焊更加細(xì)??；

4)三種焊接接頭的拉伸試樣斷裂機(jī)理均為韌性斷裂。