6082–T651鋁合金焊接裂紋與約束狀態(tài)試驗分析

夏茂燕，許民，王藝

湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

6082-T651鋁合金是以Mg、Si為主要合金元素，由α-Al和Mg2Si兩相組成，其中Mg2Si為強(qiáng)化相的變形鋁合金。該系列鋁合金具有中等強(qiáng)度、耐蝕性高、無應(yīng)力腐蝕傾向、焊接性良好、焊接區(qū)域腐蝕性能不變，以及成形性和工藝性能良好等優(yōu)點[1]。由于該系列鋁合金具有突出的性能優(yōu)勢，因此6082鋁合金被廣泛用于制造軌道交通地鐵車輛。相比于5系鋁合金，6082鋁合金的焊接裂紋敏感性更高，主要因為6082鋁合金的焊接凝固裂紋屬于裂紋沿液膜分離的開裂模型，在高溫狀態(tài)下液膜本身的強(qiáng)度和塑性都很低，只需施加極小的應(yīng)變，液膜就會開裂，所以裂紋敏感性較高[2]。

焊接過程中除冶金因素外，力學(xué)因素也會影響焊縫的抗裂性。鋁合金焊縫金屬在固-液階段會形成“液態(tài)薄膜”，此時液態(tài)鋁合金較少，隨著晶體形核長大，晶間液態(tài)鋁合金運動受阻，在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微小縫隙無法得到有效填充，便有產(chǎn)生裂紋的可能性[3]。

在鋁合金軌道車輛焊接過程中，適宜的焊接工藝可有效地控制焊接裂紋的產(chǎn)生，比如焊接方法、坡口形式、焊接電流、焊接速度及保護(hù)氣體等[4-6]。為此，本文在保證其他焊接工藝均相同的情況下，僅改變焊接接頭的約束狀態(tài)，對不同約束狀態(tài)下的焊縫進(jìn)行檢測分析，同時用ANSYS軟件對不同約束狀態(tài)下的焊縫進(jìn)行有限元仿真分析，以便研究裝配約束對焊接應(yīng)力和裂紋的影響，為6082-T651鋁合金材料焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用母材為E N A W 6 0 8 2-T 6 5 1（以下簡稱6 0 8 2-T 6 1 5）鋁合金，試板規(guī)格為

300mm×100mm×12mm、300mm×100mm×10mm

兩種；填充材料為φ1.2mm的AlMg4.5MnZr焊絲，牌號為ER5087；保護(hù)氣為99.999%Ar。根據(jù)GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》對試驗?zāi)覆倪M(jìn)行理化檢測，結(jié)果見表1～表3。

表1 6082-T651的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 6082-T651的力學(xué)性能

表3 填充材料ER5087的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

試驗前對6082-T651鋁合金母材進(jìn)行了微觀金相檢測分析，金相組織如圖1所示。從圖1可看出，母材具有明顯的軋制特征，沿軋制方向分布著纖維狀組織，也可以看到在α-Al基體上呈點狀分布的Mg2Si強(qiáng)化相。

圖1 6082-T651 鋁合金母材金相組織

2.2 試驗方法

采用TransPuls Synergic 5000型焊機(jī)，分別對自由狀態(tài)和約束狀態(tài)的試板進(jìn)行MIG焊接。自由狀態(tài)指將水平試板和垂直試板均處于完全自由狀態(tài)，如圖2a所示。約束狀態(tài)指將水平試板的左右兩側(cè)進(jìn)行定位焊固定，垂直試板底部定位焊固定，即對圖2b中①～⑤的棱邊位置進(jìn)行固定（位置④的實際固定位置在其反面）。

圖2 焊接試板裝配示意

兩對焊接試板除裝配方式不同外，焊接工藝、焊接參數(shù)等均完全相同。焊接接頭形式為8Y/a3，如圖3所示。

圖3 試件焊接接頭形式示意

焊前使用有機(jī)溶劑清洗待焊區(qū)域，去除油污雜質(zhì)，并用鋼絲輪拋光除去鋁合金表面的氧化膜。由于試板厚度為12mm，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，焊前需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在80～120℃。由同一焊工按照相同焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，主要焊接參數(shù)見表4。

表4 主要焊接參數(shù)

焊接完成后對焊縫表面進(jìn)行清理并進(jìn)行外觀檢測。在完成外觀檢測后，將試板加工成試塊，以便觀察焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

在焊縫試塊加工完成后，對焊縫截面先后進(jìn)行PT、UT檢測，再使用放大鏡和顯微鏡進(jìn)行金相分析。

2.3 仿真計算

焊接時外界的拘束會限制焊接變形，從而在焊接件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力?，F(xiàn)利用ANSYS軟件進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，仿真計算兩種狀態(tài)的應(yīng)力情況。仿真的單元類型為solid185。網(wǎng)格劃分為六面體單元，節(jié)點數(shù)15707、單元數(shù)2651。鋁合金熱膨脹系數(shù)為2.3×10-5/℃，設(shè)置焊縫溫度為1200℃，出口溫度為22℃。仿真計算結(jié)果如圖4所示，在約束狀態(tài)下，焊縫處最大應(yīng)力為1155MPa，而在自由狀態(tài)下，焊縫處最大應(yīng)力僅為247MPa，約束狀態(tài)下焊縫處受力是自由狀態(tài)下受力的4.68倍。

圖4 等效應(yīng)力云圖

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 檢測依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)

本試驗檢測按照EN 10042：2018《鋁及鋁合金的弧焊接頭-缺陷質(zhì)量等級》進(jìn)行VT檢測；按照ISO 23277：2015《焊縫無損檢測-滲透檢測-驗收標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行PT檢測；按照ISO 11666：2018 《無損檢測-超聲波檢測-驗收等級》進(jìn)行UT檢測。

3.2 約束狀態(tài)試驗結(jié)果

未切割前對約束狀態(tài)下的焊接試板焊縫進(jìn)行VT檢測、表面PT檢測，結(jié)果均合格，未產(chǎn)生氣孔、表面裂紋、咬邊及燒穿等缺陷。

將試板加工成3個試塊，對試塊焊縫進(jìn)行UT檢測，3個試塊均發(fā)現(xiàn)存在焊接缺陷。

對試塊截面打磨、拋光、腐蝕后，用5倍放大鏡進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫成形良好，無層間未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。但發(fā)現(xiàn)3個試塊的熱影響區(qū)均存在裂紋，如圖5a中藍(lán)色標(biāo)記處。

對焊接接頭截面進(jìn)行PT檢測，結(jié)果表明，在藍(lán)色標(biāo)記位置確實存在裂紋。如圖5b所示，可從缺陷處滲透液在顯像劑上的紅色痕跡看出裂紋的形貌及分布狀態(tài)。

圖5 焊接缺陷

焊接接頭的微觀金相組織如圖6所示。從圖6中可看出，焊縫組織與母材有明顯的區(qū)別，母材為拉伸后的纖維組織，焊縫為典型的鑄造組織。焊縫中部為較細(xì)的等軸晶，靠近熔合線為粗大的柱狀晶組織，熱影響區(qū)出現(xiàn)了較多黑色點狀Mg2Si強(qiáng)化相。

圖6 焊接接頭微觀金相組織

從以上金相組織可清楚地顯示出裂紋位于熔合線及其附近的熱影響區(qū)，判斷裂紋為熱影響區(qū)的熱裂紋以及近縫區(qū)的液化裂紋。

3.3 自由狀態(tài)試驗結(jié)果

自由狀態(tài)下的焊縫經(jīng)VT檢測、表面PT檢測均合格，沒有發(fā)現(xiàn)表面裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。

首先用UT對試件進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

對試塊截面打磨、拋光、腐蝕后，用5倍放大鏡進(jìn)行VT檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫成形良好，不存在層間未熔合、夾渣、氣孔及裂紋等缺陷，再用PT進(jìn)行檢測，同樣未發(fā)現(xiàn)缺陷，如圖7所示。由于PT和VT均未發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)裂紋，故沒有作進(jìn)一步的焊縫微觀金相組織分析。

圖7 宏觀金相及PT檢測

4 結(jié)束語

焊接結(jié)構(gòu)對6082-T651鋁合金焊接裂紋影響明顯，當(dāng)試件處于約束狀態(tài)時更容易產(chǎn)生熱裂紋，且裂紋主要集中在熔合線及其臨近的熱影響區(qū)。仿真分析表明，約束狀態(tài)下焊縫處最大應(yīng)力是自由狀態(tài)下的4.68倍，表明焊接應(yīng)力是產(chǎn)生焊接裂紋的主要原因，高的焊接應(yīng)力更容易產(chǎn)生焊接裂紋。