鋁合金對(duì)接接頭MIG焊組對(duì)間隙及鈍邊尺寸研究

石換軍

通號(hào)軌道車輛有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410217

1 序言

鋁合金具有密度低、耐蝕性高、韌性好、可再生利用等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在眾多的焊接工藝方法中，鋁合金MIG焊接工藝在其中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著，具有焊接質(zhì)量高、設(shè)備輕便、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)。鋁合金因其熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)大的物理特性，所以在MIG焊焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形。焊接變形的大小主要與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、焊接熱輸入、焊接填充量等因素相關(guān)[1]，其中填充量主要與接頭間隙、鈍邊及坡口角度等密切相關(guān)，現(xiàn)有的參照標(biāo)準(zhǔn)為ISO 9692-3：2016，其對(duì)于板厚6～25mm的鋁合金建議鈍邊c≤3mm、間隙4mm≤b≤10mm。

本文將針對(duì)10m m厚6082（T6）鋁合金板的MIG焊對(duì)接接頭小于標(biāo)準(zhǔn)建議的間隙、標(biāo)準(zhǔn)建議范圍內(nèi)的鈍邊對(duì)接頭熔合情況及力學(xué)性能進(jìn)行研究，為鋁合金產(chǎn)品接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)提供改進(jìn)方向。

2 試驗(yàn)方案

選用10mm厚6082（T6）鋁合金板作為研究對(duì)象，焊接方法為MIG焊，坡口角度70°，在保證其他參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的前提下，采用交叉變量法調(diào)整焊接間隙、鈍邊尺寸。接頭形式：帶可移除襯墊的V形對(duì)接接頭（見圖1）。

圖1 接頭形式

利用福尼斯TPS5000焊機(jī)焊接試板，利用不銹鋼試板焊接工裝進(jìn)行輔助固定，選用進(jìn)口SAFRA ER5087、φ1.2mm實(shí)芯焊絲作為填充材料[2]，選用70%Ar+30%He作為保護(hù)氣體，通過調(diào)整焊接間隙、鈍邊尺寸，制備并使用MIG焊接16個(gè)試件。試驗(yàn)中的焊接電流、電弧電壓均按波動(dòng)范圍中間值進(jìn)行記錄，試驗(yàn)方案及對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)見表1～表4。

表1 無鈍邊，組對(duì)間隙不同時(shí)的焊接參數(shù)

表2 1mm鈍邊，組對(duì)間隙不同時(shí)的焊接參數(shù)

表3 2mm鈍邊，組對(duì)間隙不同時(shí)的焊接參數(shù)

表4 3mm鈍邊，組對(duì)間隙不同時(shí)的焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)每個(gè)項(xiàng)目取4個(gè)截面做宏觀金相分析，選取典型金相如圖2～圖5所示。

圖2 1#～4#試件宏觀金相形貌

在鈍邊為0、各種焊接間隙時(shí)宏觀金相顯示熔合狀況良好；在間隙為2mm、3mm，且c=0～3mm時(shí)宏觀金相顯示熔合狀況良好，見表5。

對(duì)于合格率≥50%的試件，通過調(diào)整參數(shù)和加強(qiáng)實(shí)操練習(xí)有可能實(shí)現(xiàn)焊縫完全合格，此試驗(yàn)不再做研究。

圖3 5#～8#試件宏觀金相形貌

圖4 9#～12#試件宏觀金相形貌

圖5 13#～15#試件宏觀金相形貌

表5 宏觀金相結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)ISO 4136：2012標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)金相合格的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)：制備2個(gè)拉伸試樣，抗拉強(qiáng)度均值見表6。

表6 抗拉強(qiáng)度結(jié)果 （MPa）

根據(jù)ISO 15614-2：2005要求，10mm厚6082（T6）鋁合金抗拉強(qiáng)度最小為300MPa，MIG焊接頭失效系數(shù)為0.6，故抗拉強(qiáng)度＞180MPa時(shí)合格，則送檢試件抗拉強(qiáng)度均合格，且斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)。

由于焊接熱輸入大，離焊縫較近的熔合區(qū)溫度非常高，母材T6狀態(tài)時(shí)效析出的Mg2Si粒子會(huì)大部分固溶到α（Al）基體中形成過飽和固溶體。而離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域，焊接加熱溫度超過了原有的時(shí)效處理溫度，但又未達(dá)到固溶溫度，出現(xiàn)了過時(shí)效效應(yīng)，從而產(chǎn)生過析出軟化區(qū)[3]，故接頭斷裂位置一般出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)。

根據(jù)ISO 5173：2009標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)金相合格的試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)：制備2個(gè)背彎試樣。彎曲試樣采用φ100mm圓形壓頭、支輥間距125mm、彎曲角度180°。5#、9#、13#、14#試件根部未熔合，不做背彎試驗(yàn)（見表7）。

表7 背彎試驗(yàn)結(jié)果

8#（c=1m m，b=3m m）試件、16#試件（c=3mm，b=3mm）熱影響區(qū)裂紋4～10mm不合格（按ISO 15614-2：2005要求裂紋≤3mm），其余試件彎曲試驗(yàn)合格。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，10m m厚6082（T6）焊接接頭彎曲性能差，彎曲角度超90°時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋[4]，本次試驗(yàn)不合格的試樣中，8#試樣180°背彎后出現(xiàn)2～5mm裂紋，16#試樣180°背彎后出現(xiàn)2～10mm裂紋，其余合格，結(jié)果優(yōu)于相關(guān)文獻(xiàn)。

焊縫鈍邊相同時(shí)，焊接間隙越小，焊接時(shí)間越少；組對(duì)間隙相同時(shí)，鈍邊越大，焊接時(shí)間越少（見表8）。

表8 焊接時(shí)間統(tǒng)計(jì) （s）

ISO 9692-3：2016標(biāo)準(zhǔn)1.3中對(duì)于“母材厚度6～25mm時(shí)，焊接間隙為4mm≤b≤10mm”的建議，焊接間隙要求普遍較大且范圍較廣，尤其是對(duì)于6～10mm母材焊接而言，會(huì)造成焊接熱輸入較大、變形較大、效率降低。因此在實(shí)際生產(chǎn)工藝制定時(shí)，可適當(dāng)縮小標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，制定公司內(nèi)部通用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不同厚度范圍的母材焊接，細(xì)化焊縫細(xì)節(jié)規(guī)定，以達(dá)到工藝優(yōu)化，減小焊接熱輸入，減小焊接變形，提升焊接效率的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)不同焊接間隙、不同鈍邊條件下的10mm厚6082（T6）對(duì)接接頭MIG焊焊縫分析，以及通過抗拉強(qiáng)度、背彎試驗(yàn)、焊接效率等信息的收集及對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

1）綜合考慮，鈍邊c=1～2mm、間隙b=2mm時(shí)，焊接效率與焊接質(zhì)量最優(yōu)。

2）當(dāng)焊接間隙小于ISO 9692-3：2016標(biāo)準(zhǔn)建議值時(shí)，也可得到質(zhì)量穩(wěn)定的合格焊縫，且可得到更高的焊接效率、更小的焊接變形。