6005鋁合金中厚板等離子-MIG復(fù)合焊接頭組織與力學(xué)性能

劉 正，霍海龍，郭雨菲，郭陽陽，潘厚宏

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

6005鋁合金中厚板等離子-MIG復(fù)合焊接頭組織與力學(xué)性能

劉 正，霍海龍，郭雨菲，郭陽陽，潘厚宏

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

采用等離子-MIG復(fù)合焊工藝對16 mm厚6005鋁合金進行雙面焊接，研究焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，焊縫區(qū)為等軸樹枝晶，熔合線附近為柱狀晶組織，熱影響區(qū)相比母材組織粗化；接頭各區(qū)顯微硬度值均低于母材；接頭的側(cè)彎試驗可達180°；抗拉強度201 MPa，為母材強度的77.31％，斷裂位置在熱影響區(qū)內(nèi)。

6005鋁合金；等離子-MIG；組織；力學(xué)性能

0 前言

6005鋁合金系中等強度可熱處理強化Al-Mg-Si系鋁合金，焊接性和耐蝕性良好，廣泛用于高速列車車體制造，日本的相關(guān)牌號為6N01[1-3]。由于鋁合金材料具有大的比熱容、大的熱導(dǎo)率和高的電導(dǎo)率，決定了其在焊接中應(yīng)盡可能使用低線能量、高熱輸入的焊接方法[4]。

等離子-MIG復(fù)合焊是在一把焊槍里同時燃燒等離子弧和MIG電弧。等離子弧是壓縮式電弧，能量密度高，電弧挺度、剛度好、穿透性強，能實現(xiàn)深熔焊接，對熔池進行輔助攪拌，有利于氣體和雜質(zhì)的上浮。與等離子弧并存的MIG弧，具有較強的金屬填充能力，載流能力大，能實現(xiàn)高效焊接生產(chǎn)[5]。相比于激光-MIG焊工藝，等離子-MIG焊工藝目前的研究較少，相關(guān)報道較少[6-8]。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

試驗選用16 mm厚6005-T5鋁合金板材,試板尺寸300 mm×150 mm。填充焊絲型號為ER5356，直徑1.6 mm。母材與焊絲的成分見表1。等離子氣和保護氣均采用純度為99.99％的氬氣。

表1 母材及焊絲的主要化學(xué)成分Tab.1Nominal chemical composition of 6005 and ER5356％

等離子-MIG復(fù)合焊設(shè)備由以色列PLT公司MD系列等離子-MIG焊接裝置和日本安川焊接機器人組成。等離子焊炬與工件垂直，MIG焊炬與工件呈60°角。等離子電源為集成于等離子-MIG焊接裝置中的300 A變極性電源，MIG電源采用兩臺并聯(lián)的奧地利Fronius公司TPS5000焊機，焊接系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 等離子-MIG焊接系統(tǒng)示意Fig.1Schematic diagram of plasma-MIG

接頭采用如圖2所示的雙面V型坡口設(shè)計。采用機械清洗加化學(xué)清洗的方法去除坡口及其附近區(qū)域的氧化膜、油污油脂。焊前對試板做剛性固定，如圖3所示。單道依次焊接試板的正面和反面。焊接時對接頭背面進行富氬保護，焊接參數(shù)如表2所示。

圖2 坡口示意Fig.2Schematic diagram of bevel

表2 主要焊接工藝參數(shù)Tab.2Main welding parameter

圖3 試板裝夾Fig.3Clamping of welding plate

參照GB/T2651-2008（焊接接頭拉伸試驗方法）、GB/T 2653-2008（焊接接頭彎曲試驗方法）、GB/T 2654-2008（焊接接頭硬度試驗方法）有關(guān)標準對接頭進行取樣和試驗。金相試樣經(jīng)研磨拋光后，使用keller試劑（體積比HF：HCl：HNO3：H2O=2：3：5：190）腐蝕，使用蔡司Axio Observer A1m金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織。硬度試驗使用HVS-30型數(shù)顯式維氏硬度計，載荷3 kgf，保荷時間10 s。使用CMT4304電子萬能試驗機進行拉伸試驗，標距70mm，載荷加載速率1 mm/min。彎曲試驗時，采用壓頭直徑50 mm，輥筒間距離85 mm。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 接頭宏觀形貌

焊接接頭的宏觀形貌如圖4所示。在進行反面焊接時，為保證焊透，增大了等離子電流，在相同的焊接速度下，熔深較正面焊增加2 mm，熔寬減少1 mm。由圖4可知，反面陰影區(qū)面積比正面大，這也是反面的熱輸入比正面多的具體反映。焊縫成形美觀，魚鱗紋均勻，無飛濺，無宏觀缺陷，焊縫成形良好。

由于工件自身厚度較大，散熱條件好，不能保證氣孔的完全上浮，可觀察到有少量氣孔存在（圖4中白點）。鋁合金焊接過程中出現(xiàn)的氣孔主要是氫氣孔[9]。

圖4 焊縫宏觀形貌Fig.4Macro-morphology of weld seam

2.2 焊縫的微觀金相組織觀測

6005鋁合金焊接接頭不同區(qū)域在200倍下的金相顯微組織如圖5所示。接頭各區(qū)經(jīng)歷的熱循環(huán)過程不同，形成不同的組織形態(tài)。

圖5a為母材顯微組織，T5供貨狀態(tài)的晶粒組織基體為再結(jié)晶組織：α（Al）固溶體和時效析出的Mg2Si強化相（黑色細小顆粒點）[10]。析出相細小，分布均勻。

圖5b為接頭焊接熱影響區(qū)顯微組織，相比于母材，組織粗大，出現(xiàn)了一些粗大的析出相。

圖5 焊縫各區(qū)金相組織Fig.5Microstructures of the welding joint

圖5c為熔合線附近區(qū)域的金相組織。焊縫區(qū)側(cè)有垂直于熔合線的粗大柱狀晶。晶粒沿著母材界面聯(lián)生形核、長大，沿散熱方向生長。焊縫中心的顯微組織見圖5d，細小的雪花狀等軸樹枝晶分布明顯，取向雜亂無章，是典型的鑄造組織。

2.3 接頭顯微硬度分布

6005鋁合金等離子-MIG焊接接頭顯微硬度分布如圖6所示。焊縫區(qū)硬度遠低于母材，硬度平均值58.43HV。距焊縫中心5～10mm的兩側(cè)對稱區(qū)域，硬度值在67 HV附近波動，介于焊縫與母材之間，是接頭的淬火區(qū)。距焊縫中心約10 mm的位置，硬度值陡降至54 HV，是接頭的軟化區(qū)。出軟化區(qū)遠離焊縫方向，硬度值逐漸上升，距焊縫中心20 mm，硬度值恢復(fù)到母材的狀態(tài)。

硬度數(shù)據(jù)表明，接頭各區(qū)硬度明顯低于母材。焊縫金屬為鑄造組織，硬度值低于經(jīng)過人工時效處理的母材。淬火區(qū)溫度高于母材的固熔溫度，冷卻速度快。該區(qū)過冷度大，強化相析出少，得到與基體保持共格關(guān)系的過飽和固溶體，固溶體中有呈彌散分布的細小Mg2Si相，導(dǎo)致硬度值高于焊縫和軟化區(qū)[11]。軟化區(qū)的形成主要與晶粒受熱粗化和強化相的過時效有關(guān)。軟化區(qū)溫度高于焊接前的時效溫度，但又未及固溶溫度，使強化相Mg2Si在冷卻時發(fā)生了聚集和長大。粗化的組織會惡化材料的力學(xué)性

能。出軟化區(qū)后，受焊接熱源的影響減弱，硬度值逐漸增加，最后恢復(fù)到母材狀態(tài)。

圖6 顯微硬度分布Fig.6Distribution of micro-hardness

2.4 接頭拉伸、側(cè)彎試驗

對6005鋁合金接頭進行側(cè)彎試驗，彎曲角度180°時能清晰地看到接頭熱影響區(qū)，焊接接頭沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷，有一定的塑性儲備。

對6005鋁合金接頭進行拉伸試驗，結(jié)果如表3所示。焊接接頭抗拉強度201MPa，為母材的77.31％，與激光-MIG焊工藝相當(dāng)，優(yōu)于普通MIG焊工藝（約母材強度的60％）[12]。該強度高于歐洲標準EN288-4要求的195 MPa，符合高速列車的使用標準[13]。如圖7所示，焊接接頭拉伸試樣斷口位于接頭的熱影響區(qū)，呈斜45°角斷裂。斷裂區(qū)附近出現(xiàn)了明顯褶皺收縮，這表明試樣斷裂前經(jīng)歷了充分的塑性變形過程。

表3 母材及接頭拉伸力學(xué)性能Tab.3Tensile properties of specimens

圖7 接頭斷裂位置示意Fig.7Fracture location for tensile test specimen

3 結(jié)論

采用等離子-MIG焊工藝焊接16 mm厚6005-T5鋁合金，開雙面V型80°坡口，中間留4 mm鈍邊，能單側(cè)一次性焊透。

（1）熱影響區(qū)組織粗大，熔合線區(qū)域為柱狀晶，焊縫中心為雪花狀等軸樹枝晶。

（2）6005鋁合金接頭硬度試驗表明，焊接接頭各區(qū)硬度均低于母材。焊縫區(qū)硬度高于軟化區(qū)，低于接頭淬火區(qū)。

（3）6005鋁合金等離子-MIG焊接頭的側(cè)彎試驗彎曲角度可達180°，抗拉強度201 MPa，為母材強度的77.31％。斷裂位置位于接頭熱影響區(qū)。

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Microstructure and mechanical properties of 6005 aluminum alloy welding joint in medium plate using plasma-MIG hybrid welding

LIU Zheng，HUO Hailong，GUO Yufei，GUO Yangyang，PAN Houhong
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Plasma-MIG hybrid welding of 6005 aluminum alloy with 16mm thickness and double V-groove was carried out.The microstructure and mechanical properties of the welded joint were investigated.The results showed that the microstructure was characterized by equiaxed dendritic crystal and columnar crystal in the weld seam zone and at the weld side of fusion zone respectively.And the microstructure in HAZ was coarser than that in base metal.The microhardness in the weld was lower than that in the base metal.The side bend test of the welded joint could reach 180°.The tensile strength of the welded joint was 201 MPa which was 77.31％that of the base metal.The fracture was located in the HAZ.

6005 aluminum alloy；plasma-MIG；microstructure；mechanical properties

TG457.14

A

1001-2303（2016）08-0092-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.22

2015-12-04；

2016-02-03

江蘇科技大學(xué)生先進焊接技術(shù)省級重點實驗室開放研究基金資助項目（JSAWT-11-02）

劉正（1990—），男，四川內(nèi)江人，在讀碩士，主要從事輕金屬焊接工藝的研究。