新能源汽車用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)高溫服役性能分析

鄧 鑫,金文福,劉東利,李 歡,金 鑫,董劉穎

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

鋁合金因具有良好的機(jī)械加工性及比強(qiáng)度而被廣泛應(yīng)用于新能源汽車等領(lǐng)域,但鋁合金精深加工產(chǎn)品由于地域差異、季節(jié)交替及使用環(huán)境等多重因素影響,其服役時(shí)的溫度不盡相同[1]。因此,需要鋁合金焊接構(gòu)件在高、低溫服役條件下均能保持良好的力學(xué)性能。國內(nèi)對(duì)于鋁合金焊接構(gòu)件低溫性能研究較多,對(duì)于鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件高溫服役性能分析的參考資料較少[2-4]。本文針對(duì)現(xiàn)階段新能源汽車所使用頻率較高的5052-H32、6082-T6、6005A-T6、6061-T6鋁合金板材展開焊接結(jié)構(gòu)件的高溫服役性能研究,旨在通過進(jìn)行不同溫度的高溫力學(xué)性能測(cè)試探索出鋁合金焊接構(gòu)件的高溫服役性能規(guī)律,對(duì)正確評(píng)價(jià)材料的高溫服役性能及使用壽命具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用尺寸為300 mm×150 mm×3 mm的5052-H32、6082-T6、6005A-T6、6061-T6鋁合金板材,采用新能源汽車生產(chǎn)制造中常用的MIG焊對(duì)5052-H32及6082-T6鋁合金板材進(jìn)行焊接,采用攪拌摩擦焊對(duì)6005A-T6、6061-T6及6082-T6鋁合金板材進(jìn)行焊接。5052-H32、6082-T6、6005A-T6、6061-T6鋁合金與ER 5356焊絲的化學(xué)成分、力學(xué)性能分別見表1和表2。

表1 四種鋁合金及ER 5356焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 四種鋁合金及ER 5356焊絲力學(xué)性能

1.2 焊接過程

焊接過程分為MIG焊及攪拌摩擦焊兩部分,采用的接頭形式均為對(duì)接。為保證MIG焊焊縫熔透、減少焊縫缺陷,焊前對(duì)待焊位置進(jìn)行開坡口處理,坡口形式為V形,角度為70°,MIG焊試板坡口尺寸如圖1所示,使用的MIG焊設(shè)備為福尼斯TPS 5000半自動(dòng)MIG焊機(jī)。攪拌摩擦焊時(shí)試板不開坡口,焊接設(shè)備采用HT-JM16×30/2二維靜龍門攪拌摩擦焊機(jī),焊接時(shí)采用恒位移控制方式,選用的攪拌頭針長為2.85 mm,軸肩為內(nèi)凹形式,軸肩直徑為12 mm。

t1=t2=3mm,α=70°,b=0.5～1.0mm

焊前使用氣動(dòng)鋼絲刷打磨坡口及焊縫25 mm內(nèi)區(qū)域,以達(dá)到去除氧化膜的目的,并使用酒精擦拭打磨區(qū)域,露出金屬光澤。焊接過程中所使用的焊接工藝,MIG焊焊接電流90 A,焊接電壓19.4 V,焊接速度45 mm/min,保護(hù)氣體流量22 L/min;攪拌摩擦焊焊接速度600 mm/min,轉(zhuǎn)速1 200 r/min。

1.3 試樣檢測(cè)方法

參照GB/T 228.2《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第二部分 高溫拉伸試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn),使用AG-X 100KNH電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高低溫拉伸試驗(yàn),拉伸速率6 mm/min,試驗(yàn)溫度范圍為50～250 ℃,溫度間隔50 ℃,試樣保溫20 min后進(jìn)行拉伸測(cè)試,每組測(cè)試三個(gè)試樣取平均值作為該組有效值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭高溫力學(xué)性能

由5052-H32鋁合金MIG焊焊接接頭高溫力學(xué)性能得出抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨溫度變化的曲線,如圖2(a)所示。由圖可知,當(dāng)溫度低于150 ℃時(shí),隨著溫度的升高抗拉強(qiáng)度緩慢下降,斷后伸長率水平波動(dòng)變化;當(dāng)溫度超過150 ℃后,抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別呈現(xiàn)急劇下降和上升的變化,并均在250 ℃時(shí)均達(dá)到極值,最低抗強(qiáng)度152 MPa;最高斷后伸長率11.8%;最高與最低抗拉強(qiáng)度差值為59 MPa,加熱溫度在200 ℃以內(nèi)時(shí),強(qiáng)度降低51 MPa。

圖2 焊接接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨溫度變化的曲線

6082-T6鋁合金MIG焊接接頭高溫力學(xué)性能得出抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨溫度變化的曲線,如圖2(b)所示。由圖可知,隨著溫度的升高抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),在250 ℃時(shí)達(dá)到最低值131 MPa;斷后伸長率變化與5052-H32相反,隨著溫度升高階梯狀下降,在250 ℃時(shí)達(dá)到最低值4.3%;最高與最低抗拉強(qiáng)度差值為91 MPa。加熱溫度在200℃以內(nèi),強(qiáng)度降低51 MPa。

6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭高溫力學(xué)性能得出抗拉強(qiáng)度和延伸率隨溫度變化的曲線,如圖2(c)所示。從圖中曲線可以看出,當(dāng)溫度低于150 ℃時(shí),隨著溫度的升高抗拉強(qiáng)度緩慢下降,延伸率呈先上升后下降變化;當(dāng)溫度超過150 ℃后,抗拉強(qiáng)度急劇下降,在250 ℃時(shí)達(dá)到極值,最低抗拉強(qiáng)度123 MPa,最高與最低抗拉強(qiáng)度差值為103 MPa,加熱溫度在200 ℃以內(nèi),強(qiáng)度降低58 MPa。

6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭高溫力學(xué)性能得出抗拉強(qiáng)度和延伸率隨溫度變化的曲線,如圖2(d)所示。從圖中曲線可以看出,隨溫度升高,接頭抗拉強(qiáng)度整體變化趨勢(shì)為下降趨勢(shì),溫度高于100 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度急劇下降,250 ℃時(shí)達(dá)到最低值147 MPa;延伸率隨溫度升高,整體呈階梯狀下降,變化趨勢(shì)為先上升后下降,在250 ℃時(shí)達(dá)到最低6.3%;最高與最低抗拉強(qiáng)度差值為82 MPa,較6005A-T6鋁合金強(qiáng)度差值低21 MPa。在加熱溫度200 ℃以內(nèi),強(qiáng)度降低了47 MPa。

6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭高溫力學(xué)性能得出抗拉強(qiáng)度和延伸率隨溫度變化的曲線,如圖2(e)所示。從圖中曲線可以看出,隨溫度升高,接頭抗拉強(qiáng)度整體變化趨勢(shì)為下降趨勢(shì),當(dāng)溫度高于200 ℃時(shí),抗拉強(qiáng)度急劇下降,在250 ℃時(shí)達(dá)到最低值136 MPa;延伸率隨溫度升高,變化趨勢(shì)為先上升后下降,150 ℃時(shí)達(dá)到最高,后又下降到50 ℃時(shí)的延伸率值;最高與最低抗拉強(qiáng)度差值為112 MPa,較6005A-T6與6061-T6比較抗拉強(qiáng)度差值最大。加熱溫度在200 ℃以內(nèi),強(qiáng)度降低了66 MPa。

由焊接接頭高溫力學(xué)性能得出抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨溫度變化的曲線可以看出,無論MIG焊還是攪拌摩擦焊焊后接頭均隨著溫度升高,力學(xué)性能呈下降趨勢(shì),斷后伸長率變化有所不同。

2.2 焊接接頭拉伸斷口形貌

由于不同焊接方式所焊接頭高溫力學(xué)性能均隨著溫度的升高而降低,遂只針對(duì)6082-T6攪拌摩擦焊接頭拉伸斷口進(jìn)行掃描電鏡拍攝,進(jìn)而得出鋁合金焊接接頭在進(jìn)行高溫力學(xué)性能檢測(cè)時(shí),斷口形貌的相關(guān)規(guī)律性變化。6082-T6攪拌摩擦焊高溫拉伸斷口形貌如圖3所示。

由圖3可以看出,各溫度下拉伸斷口呈典型的沿晶斷裂形貌,且拉伸斷裂斷口呈小而淺且均勻的微孔洞,這是由于焊后接頭中存在一定數(shù)量的第二相粒子[5-7],力學(xué)拉伸性能測(cè)試時(shí)第二相粒子會(huì)在接頭內(nèi)部產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中,形成微孔洞進(jìn)而導(dǎo)致斷裂。

此外,隨著高溫力學(xué)性能測(cè)試溫度由50 ℃變化至250 ℃,拉伸斷口孔洞數(shù)量減少,這是由于隨著溫度的升高,第二相粒子逐漸長大,使接頭斷口處形成較大較深韌窩,符合高溫力學(xué)性能隨著溫度增高而降低的規(guī)律[8-10]。

3 結(jié)論

(1)隨著溫度升高,MIG焊5052-H32和6082-T6焊接接頭抗拉強(qiáng)度均有所下降,加熱溫度在250℃以內(nèi),6082-T6鋁合金抗拉強(qiáng)度衰減受溫度影響較大。

(2)隨著溫度升高,不可熱處理強(qiáng)化型5052-H32鋁合金與熱處理強(qiáng)化型6082-T6鋁合金MIG焊后斷后伸長率變化相反。

(3)隨著溫度升高,6005A-T6、6061-T6及6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì),其中6082-T6鋁合金50 ℃與250 ℃抗拉強(qiáng)度差值為112 MPa,在三種材質(zhì)鋁合金抗拉強(qiáng)度差值中最大。

(4)在溫度低于200℃以內(nèi),6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度衰減變化最大,6061-T6鋁合金接頭受溫度影響相較6005A-T6鋁合金低。

(5)隨著溫度的升高,6005A-T6與6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭延伸率呈先上升后下降趨勢(shì),6061-T6鋁合金接頭延伸率呈階梯狀下降。