胡 權(quán),李國棟,周 楠
(1.佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司,廣東 佛山528133;2.廣東省科學(xué)院新材料研究所,廣東 廣州510650)
隨著輕量化要求越來越多的應(yīng)用于交通領(lǐng)域,特別是高速鐵路、航空航天、輕量化汽車的發(fā)展,鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣.在環(huán)保要求逐漸提高的背景下,輕量化可以有效地降低交通的燃油消耗量與污染物排放.有研究指出,汽車自重每減少10%,其燃油的消耗量能夠降低6%~8%,排放量可以降低5%~6%,環(huán)境保護效果明顯[1-2].
目前鋁合金最主要的連接方法是焊接,常見的鋁合金焊接方法有鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極氣體氬弧焊(MIG)、攪拌摩擦焊(FSW)、激光焊(LSW)及電子束焊(EBW)等,其中TIG焊接過程穩(wěn)定、易于操作,保護效果好且經(jīng)濟成本低,在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[3-4].
在ER5356鋁合金焊絲中,Mg,Sc,Zr,Er和Ti等[5-9]合金元素對焊接性的影響均有詳細的研究成果,而Mn元素對ER5356鋁合金焊絲焊接性能的影響報道較少.因此,以TIG焊6082鋁合金擠壓板材為研究對象,采用錳量為0.05%和0.15%的ER5356鋁合金焊絲,研究不同Mn含量的ER5356鋁合金焊絲對焊接焊頭性能的影響.
研究所采用的ER5356鋁合金焊絲,首先由半連續(xù)鑄造制備成鋁合金鑄錠,經(jīng)在480℃下20 h的均勻化處理后,在630T臥式擠壓機進行熱擠壓制成直徑9.5 mm的圓桿,擠壓溫度500℃.將擠壓后的鋁合金進行3道次的冷拉拔至直徑4 mm,在拉拔過程中需要中間退火以消除拉拔產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力.焊絲成分列于表1.
表1 ER5356鋁合金焊絲金屬成分Table 1 ER5356 aluminum alloy welding wire metal composition w/%
研究焊接母材采用6082合金,合金經(jīng)熔煉、鑄造、擠壓成板材,時效熱處理后備用,合金化學(xué)成分如表2所示.
表2 母材6082鋁合金化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of base material 6082 aluminum alloy w/%
使用的焊接設(shè)備是WSE-500交直流脈沖方波氬弧焊機,鎢極直徑2.0 mm,焊絲直徑為4.0 mm,保護氣體種類是100%的氬氣,保護氣體流量14 L/min.表3為焊接試驗參數(shù).采用Leika DMI3000M金相顯微鏡,進行金相組織觀察.采用DNS200電子萬能試驗機進行室溫拉伸實驗區(qū),拉伸速度為2.0 mm/min,溫度為27.5℃.采用Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡,對拉伸試樣進行斷口掃描分析.
表3 焊接試驗參數(shù)Table 3 Welding test parameters
表4 所 示 為ER5356(0.05%Mn)焊 絲 與ER5356(0.15%Mn)焊絲的力學(xué)性能數(shù)據(jù).由表4可 知,ER5356(0.15%Mn)焊 絲 伸 長 率 略 優(yōu) 于ER5356(0.05%Mn)焊絲,屈服強度和抗拉強度略低于ER5356(0.05%Mn)焊絲,但是兩者數(shù)據(jù)相差不大.
表4 焊絲的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of welding wire
圖1 所示為6082焊接接頭的宏觀形貌.從圖1可見:在較低焊接電流條件下,得到的焊接接頭表面成形不規(guī)則,存在焊接缺陷;隨著焊接電流的增大,焊縫成形質(zhì)量提高;使用ER5356(0.15%Mn)焊絲得到的接頭宏觀成形整體優(yōu)于ER5356(0.05%Mn)焊接得到的接頭,當(dāng)焊接電流為125 A時ER5356(0.15%Mn)焊接形成的焊縫魚鱗紋成形規(guī)則,無焊接熱裂紋等宏觀缺陷.另外,由圖1(a)~圖1(c)與圖1(d)~圖1(f)比 較發(fā)現(xiàn),隨 著焊接電 流增加,ER5356(0.15%Mn)焊接接頭熔池寬度大于對應(yīng)焊接參數(shù)的ER5356(0.05%Mn)試樣.
圖1 6082焊接接頭宏觀圖片(a)0.05%Mn,100 A;(b)0.05%Mn,115 A;(c)0.05%Mn,125 A;(d)0.15%Mn,100 A;(e)0.15%Mn,115 A;(f)0.15%Mn,125 AFig.1 Macro graph of 6082 welded joint
圖2 所示為ER5356(0.05%Mn)焊接接頭金相組織.從圖2可見:在焊接電流最低條件下存在嚴(yán)重的焊接缺陷,首先在熔合區(qū)存在嚴(yán)重的未焊透缺陷,焊縫區(qū)也出現(xiàn)了未焊透的區(qū)域,隨著焊接電流的增加,未焊透缺陷得到解決;隨著焊接電流的增大,焊接接頭熔合區(qū)晶粒尺寸明顯增大,熔合線介于母材和焊縫之間,在半熔化的母材基底向外生長,在焊縫一側(cè)可以明顯看見樹枝狀晶,相較于母材金相組織較為粗大.這是由于在焊接熱循環(huán)的作用下母材基底組織晶粒容易在過熱作用下粗化,隨著焊接電流的增大焊接熱輸入增加,這種現(xiàn)象更加明顯.焊縫中存在粗大的組織會增加焊縫區(qū)的脆性,熱影響區(qū)位于母材與焊縫熔合區(qū)之間,由于焊接熱循環(huán)的作用熱影響區(qū)的金相組織明顯粗化,這也會降低該區(qū)域的韌性.焊縫區(qū)的金相組織為等軸晶,由于在焊接過程中液相金屬中溫度梯度很小時,在液相中可以形成比較寬的成分過冷區(qū),這不僅在結(jié)晶前沿形成了粗大的樹枝狀結(jié)晶,而且在液相金屬內(nèi)部形核而產(chǎn)生新的晶粒,這些晶??梢韵蛩闹茏杂缮L,不受阻礙,從而形成等軸晶[10].
圖2 ER5356(0.05%Mn)焊接接頭金相組織圖片(a)熔合區(qū),100 A;(b)焊縫,100 A;(c)熔合區(qū),115A;(d)焊縫,115 A;(e)熔合區(qū),125 A;(f)焊縫,125 AFig.2 ER5356(0.05%Mn)welded joint optical microstructures(a)fusion zone,100 A;(b)weld joint,100 A;(c)Fusion zone,115A;(d)weld joint,115 A;(e)Fusion zone,125 A;(f)weld joint,125 A
ER5356(0.15%Mn)焊接接頭(圖3)總體規(guī)律與ER5356(0.05%Mn)相同,不同的是在較低的焊接熱輸入條件下,ER5356(0.15%Mn)焊接接頭依舊存在未焊透區(qū)域,但是要好于ER5356(0.05%Mn).同時隨著焊接熱輸入增加,ER5356(0.15%Mn)熔合區(qū)也生成了樹枝狀結(jié)晶,但是晶粒尺寸要小于ER5356(0.05%Mn)焊接接頭,焊縫區(qū)等軸晶晶粒尺寸也略小于ER5356(0.05%Mn).文獻[11]指出,隨著Mn元素含量的增多,在金屬均勻化組織中形成的彌散強化相增多,在退火再結(jié)晶時形核質(zhì)點較多,能夠達到細化再結(jié)晶晶粒,提高焊縫強度性能.
圖3 ER5356(0.15%Mn)焊接接頭金相組織圖片(a)熔合區(qū),100 A;(b)焊縫,100 A;(c)熔合區(qū),115A;(d)焊縫,115 A;(e)熔合區(qū),125 A;(f)焊縫,125 AFig.3 ER5356(0.15%Mn)welded joint optical microstructures(a)fusion zone,100 A;(b)weld joint,100 A;(c)fusion zone,115A;(d)weld joint,115 A;(e)fusion zone,125 A;(f)weld joint,125 A
圖4 為6082鋁合金焊接接頭顯微硬度分布圖.結(jié)果表明,兩組焊接接頭中,熔合區(qū)硬度最高,其次是熱影響區(qū),并且隨著焊接電流的增大,熔合區(qū)寬度無明顯變化,熱影響區(qū)寬度略有增加,而且隨著Mn含量的上升,熱影響區(qū)寬度增加.在較低的焊接電流和Mn含量的條件下,焊接接頭存在明顯的焊接缺陷,所以受此影響,焊接接頭顯微硬度曲線無明顯規(guī)律,如圖4(a)所示.隨著焊接電流的增加,焊接接頭的顯微硬度曲線規(guī)律性逐漸清晰,如圖4(b)所示.隨著焊接電流的增加,焊接接頭性能逐漸提高,ER5356(0.15%Mn)得到的焊接接頭熔合性優(yōu)于ER5356(0.05%Mn),由于兩組焊接接頭的實驗變量只有焊絲中的Mn元素含量,這也證明了Mn元素可以促進焊接的金屬熔敷過程.
圖4 焊接接頭顯微硬度分布(a)Mn含量0.05%;(b)Mn含量0.15%Fig.4 Microhardness distribution of welded joints(a)Mn content 0.05%;(b)Mn content0.15%
表5 為ER5356(0.05%Mn)和ER5356(0.15%Mn)焊接6082鋁合金得到的焊接接頭的抗拉強度和伸長率.由表5可知,ER5356(0.15%Mn)焊接接頭力學(xué)性能整體優(yōu)于ER5356(0.05%Mn),且ER5356(0.15%Mn)焊接接頭在三組焊接熱輸入條件下測得的伸長率也均高于ER5356(0.05%Mn)焊接接頭.這是由于增加Mn元素能夠改善焊接接頭力學(xué)性能,同時隨著焊接電流增加焊接接頭抗拉強度呈現(xiàn)增大的趨勢.隨著焊接電流增加,焊接熱輸入增大,焊縫中未焊透缺陷減少,焊接接頭力學(xué)性能得到提高.此外,焊接接頭的伸長率隨著焊接電流增加而增加,當(dāng)焊接熱輸入量較小時,焊接接頭有著明顯的未焊透區(qū)域而導(dǎo)致伸長率下降,隨著焊接熱輸入增加,未焊透區(qū)域逐漸減小且焊縫力學(xué)性能得到改善.焊接試驗測得母材抗拉強度為231 MPa,而焊接接頭匹配系數(shù)最高達到0.71.
表5 6082焊接接頭抗拉強度及伸長率Table5 6082 Welded joints tensile strength and elongation
圖5 為6082鋁合金焊接接頭斷口形貌圖.從圖5可見,焊接接頭斷口形式為韌性斷裂,隨著焊接電流的增大,焊縫斷口韌窩變大且深度降低.其中ER5356(0.05%Mn)焊絲試樣在焊接電流125 A條件下,焊接接頭斷裂后部分區(qū)域表現(xiàn)出脆性斷裂的特征.另外,在ER5356(0.15%Mn)焊絲焊接接頭斷口形貌中,通過測試成分發(fā)現(xiàn)有富Mn相,結(jié)合前面的金相組織觀察得知,Mn元素在ER5356鋁合金金相組織中形成Al-Mn相分布,在焊接過程中該彌散相隨著熔敷金屬過渡到熔池中.Al-Mn相不僅可以細化再結(jié)晶晶粒,還可以溶解雜質(zhì)鐵,形成Al(Fe,Mn)Al相可有效地減小鐵的有害影響[12-13],從而使得焊接接頭的力學(xué)性能得到有效的提升.從斷口形貌上看,ER5356(0.05%Mn)焊絲在較低焊接電流得到的焊接接頭斷口存在明顯的未焊透區(qū)域,隨著焊接電流的增大,這種現(xiàn)象逐漸減少,ER5356(0.15%Mn)焊絲在較低焊接電流下得到的焊接接頭斷口依舊存在未焊透的現(xiàn)象,但是要明顯優(yōu)于ER5356(0.05%Mn),隨著焊接電流增大,未焊透現(xiàn)象逐漸減輕,在125 A焊接電流條件下,ER5356(0.15%Mn)焊絲得到的焊接接頭斷口幾乎觀察不到未焊透的現(xiàn)象.
圖5 6082焊接接頭斷口形貌圖(a)0.05%Mn,100 A;(b)0.05%Mn,115 A;(c)0.05%Mn,125 A;(d)0.15%Mn,100 A;(f)0.15%Mn,115 A;(e)0.15%Mn,125 A(a)0.05%Mn,100 A;(b)0.05%Mn,115 A;(c)0.05%Mn,125 A;(d)0.15%Mn,100 A;(f)0.15%Mn,115 A;(e)0.15%Mn,125 AFig.5 6082 welded joints fracture topography
(1)在較低焊接熱輸入條件下,兩組焊接接頭存在未焊透缺陷,隨著焊接熱輸入增加,未焊透現(xiàn)象消失,此外ER5356(0.15%Mn)焊接接頭成形質(zhì)量優(yōu)于相應(yīng)焊接熱輸入條件下ER5356(0.05%Mn)焊接接頭.
(2)隨著焊接電流的增大,兩組焊接接頭未焊透缺陷逐步減少,力學(xué)性能得到提高,其中力學(xué)性能最優(yōu)的焊接接頭匹配系數(shù)可以達到0.71.
(3)含錳量為0.15%的焊絲焊接得到的焊接接頭性能整體上優(yōu)于含錳量0.05%焊絲焊接得到的焊接接頭,Mn元素可以改善焊接接頭的力學(xué)性能,進而提高鋁合金焊接質(zhì)量.