異種鋁合金接頭組織性能淺析

鄧 鑫，康 銘，韓 旭，楊振東，林相遠

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽111003)

目前軌道汽車輕量化發(fā)展已成為制造業(yè)發(fā)展的要求。鋁合金由于密度小，比強度高且具有良好的耐蝕性成為應(yīng)用在軌道列車及汽車車身上的輕量化材料。并且為了滿足各種鋁合金結(jié)構(gòu)的連接，異種鋁合金連接的結(jié)構(gòu)件也廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)，由于異種鋁合金的化學(xué)成分、顯微組織及焊接性的不同，勢必需要進行多方面的研究，以確定良好的工藝措施[1]。

5182-H111與6005A-T6均屬常見的鋁合金，由于其焊前熱處理方式不同，造成其在焊接過程中對熱輸入的敏感性不同，進而影響其性能。但目前關(guān)于5xxx系、6xxx系異種鋁合金焊接接頭的研究甚少[2]，本文旨在對5182-H111及6005A-T6異種鋁合金焊接接頭進行組織和性能的研究，為軌道列車及汽車制造等行業(yè)提供有效的異種鋁合金焊接技術(shù)措施和理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究擬選用尺寸均為300mm×150mm×6mm的加工硬化5182-H111板材，以及時效溫度175℃、保溫時間10h的6005A-T6板材，填充金屬選用直徑均為Φ1.2mm的ESAB ER 5356、ER5087、ER 5556A鋁合金焊絲。母材及填充金屬化學(xué)成分見表1。母材力學(xué)性能為，5182-H111合金，其屈服強度為125.0MPa，抗拉強度為273MPa，延伸率為26.5%；6005A-T6合金，其其屈服強度為260.5MPa，抗拉強度為317MPa，延伸率為15.7%。母材金相顯微組織如圖1所示。

表1 母材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

(a)5182-H111； (b)6005A-T4； (c)6005A-T6圖1 母材顯微組織Fig.1 Base metal microstructure

1.2 試驗方法

焊接時選用福尼斯TPS 5000半自動焊機對試板進行對接焊，焊接工藝參數(shù)見表2。采用V型坡口對試板進行單面焊雙面成型焊接，背部置有非永久襯墊，如圖2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

圖2 焊縫接頭形式Fig.2 Welding joint

選用AG-X 100KN H電子萬能試驗機對每塊焊接試板所取的2個拉伸試樣進行拉伸試驗，檢測結(jié)果按照GB/T 2651-2008標(biāo)準(zhǔn)進行判定，檢測數(shù)值取平均值作為最終試驗結(jié)果；使用FV-810型維氏顯微硬度計并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 9015-2011對焊縫進行維氏硬度檢測，并使用蔡司光學(xué)顯微鏡對焊縫進行斷口形貌及顯微組織觀測。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗

試驗結(jié)果見表3。拉伸試驗結(jié)果表明，無論使用ER 5356、ER 5087還是ER 5556A焊絲，所焊接頭抗拉強度及延伸率均差別不大，接頭強度平均值分別為227.5MPa、216.5MPa及219.5MPa，標(biāo)準(zhǔn)焊接接頭系數(shù)均大于0.6。

表3 拉伸性能檢測結(jié)果

試樣斷裂位置均位于距離焊縫約10mm處的6005A-T6側(cè)熱影響區(qū)，宏觀拉斷如圖3所示，斷口形貌如圖4所示。從斷口掃描電鏡中可見，三種焊絲所焊接頭拉伸斷口形成的等軸韌窩形貌深且均勻細小，在韌窩底部未見明顯的夾雜物等，為典型的微孔聚合型韌性斷裂斷口形貌。

2.2 接頭硬度

三種不同焊絲的焊接接頭顯微硬度分布如圖5所示。顯微硬度測試點沿焊縫中心兩側(cè)各40mm，間隔為2mm。通過對比發(fā)現(xiàn)，三種5xxx系焊絲所焊接頭顯微硬度分布趨勢大體相同。圖5可見，6005A-T6熱影響區(qū)距離焊縫中心約10mm，5182-H111熱影響區(qū)距離焊縫中心約3mm；熱影響區(qū)處6005A-T6側(cè)硬度均顯著下降至低于焊縫硬度，平均硬度值為57.6HV，而5182-H111側(cè)熱影響區(qū)硬度則與母材硬度接近，這是由于6005A-T6在焊接時，強化相重新回溶入基體中，或由于過時效導(dǎo)致強化相聚集，晶粒尺寸變大，進而導(dǎo)致熱影響區(qū)軟化程度較高所致。

(a)ER 5356；(b)ER 5087；(c)ER 5556A圖3 宏觀拉斷Fig.3 Macroscopic tensile fracture

(a)ER 5356； (b)ER 5087；(c)ER 5556A圖4 拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphology

圖5 接頭硬度分布Fig.5 Joint hardness distribution

2.3 微觀金相組織

在與拉伸試件相同取樣焊縫上截取金相試樣，圖6、圖7、圖8分別為使用ER 5356、ER 5087、ER 5556A三種焊絲所焊接對接接頭微觀組織形貌。可以看出，使用三種不同牌號的5xxx系鋁合金焊絲焊后接頭均無顯微裂紋等缺陷，接頭質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 10042 B級要求，且微觀形貌相近。焊縫區(qū)由于散熱條件最差，結(jié)晶溫度區(qū)間最小，熔體中的粒子可以以異質(zhì)形核的方式生長出等軸晶，而熔合線處由于散熱最快，晶粒呈柱狀晶方式生長。故焊接接頭由晶粒取向呈自由分布狀態(tài)的等軸枝晶以及熔合線附近由于受到較大溫度梯度影響而產(chǎn)生的垂直于熔合線并向焊縫中心生長的柱狀樹枝晶組成，并在α(Al)基體組織上分布有顆粒狀的數(shù)量和密度相當(dāng)?shù)牡诙嘟M織。

(a)6xxx系側(cè)熱影響區(qū)；(b)6xxx系側(cè)熔合線；(c)焊縫區(qū)；(d)5xxx系側(cè)熔合線；(e)5xxx系側(cè)熱影響區(qū)圖6 ER 5356顯微組織Fig.6 Microstructure of ER 5356

(a)6xxx系側(cè)熱影響區(qū)；(b)6xxx系側(cè)熔合線；(c)焊縫區(qū)；(d)5xxx系側(cè)熔合線；(e)5xxx系側(cè)熱影響區(qū)圖7 ER 5087顯微組織Fig.7 Microstructure of ER 5087

(a)6xxx系側(cè)熱影響區(qū)；(b)6xxx系側(cè)熔合線；(c)焊縫區(qū)；(d)5xxx系側(cè)熔合線；(e)5xxx系側(cè)熱影響區(qū)圖8 ER 5556A顯微組織Fig.8 Microstructure of ER 5556A

此外，圖6、圖7、圖8中可觀察到5182-H111側(cè)沒有明顯的熔合線，這是由于5182-H111屬于不可熱處理強化鋁合金，因此即使焊后受到較大熱輸入影響，晶粒長大現(xiàn)象也并不顯著，因此出現(xiàn)了相對較細密且存在細晶粒的過渡區(qū)。而6005A-T6側(cè)熔合線則清晰可見，晶粒較粗大且不存在細晶粒區(qū)作為過渡，這是由于6005A-T6焊前雖經(jīng)過人工時效處理，但溫度并不能達到回復(fù)及再結(jié)晶的溫度區(qū)間，因此母材并未發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶。焊接過程中，母材顯著受熱，因此導(dǎo)致可熱處理強化的6005A-T6晶粒在受到較大熱輸入影響下發(fā)生了晶粒長大現(xiàn)象，造成晶粒尺寸比5182-H111側(cè)更加粗大，進而導(dǎo)致了6005A-T6側(cè)的綜合性能弱于5182-H111側(cè)。

3 結(jié)論

(1)使用ER 5356、ER 5057、ER 5556A焊絲所焊接頭強度系數(shù)均大于0.6；斷裂位置均在6xxx系側(cè)熱影響區(qū)，斷口為典型的微孔聚合型韌性斷裂斷口形貌；

(2)5xxx系、6xxx系異種鋁合金接頭在6xxx系鋁合金側(cè)熱影響區(qū)存在硬度最低值；

(3)焊縫區(qū)均由等軸枝晶及粗大的柱狀樹枝晶組成，并且在α(Al)基體組織上均分布有顆粒狀的數(shù)量和密度相當(dāng)?shù)牡诙嘟M織；

(4)5xxx系、6xxx系異種鋁合金接頭由于6xxx系鋁合金焊接過程造成熱影響區(qū)強化相回溶，導(dǎo)致6xxx系側(cè)熱影響區(qū)綜合性能均弱于5xxx系鋁合金側(cè)。