覆層鋁合金高頻感應(yīng)焊接工藝與焊縫組織

陳 洪，潘戀戀，王志偉，劉小東

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430068）

覆層鋁合金高頻感應(yīng)焊接工藝與焊縫組織

陳 洪，潘戀戀，王志偉，劉小東

（湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430068）

覆層鋁合金薄板由三層組成，中間層為高強(qiáng)鋁合金（AA7072），外覆層為鑄造鋁合金（AA4043）以利焊接，內(nèi)覆層為防銹鋁合金（AA3003）以防止熱交換介質(zhì)的腐蝕。薄板經(jīng)成型機(jī)組成型后再經(jīng)高頻感應(yīng)焊接成焊管。利用金相觀察、顯微硬度和掃描電子顯微鏡（SEM）、爆破試驗(yàn)等方法分析高頻焊工藝焊接接頭顯微組織和性能。結(jié)果表明，采用高頻感應(yīng)焊接技術(shù)得到的焊縫組織均勻，性能優(yōu)異。各層組織中彌散分布著一種或者多種第二相顆粒，力學(xué)性能優(yōu)于母材。

覆層鋁合金；高頻感應(yīng)焊接；組織分析

0 前言

隨著汽車輕量化的發(fā)展趨勢，覆層鋁合金材料已經(jīng)廣泛用于汽車熱交換器焊管[1-3]。國內(nèi)現(xiàn)有的覆層鋁合金焊管主要依賴進(jìn)口或者中外合資引進(jìn)NOCOLOK工藝連續(xù)生產(chǎn)線。在國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家，高頻感應(yīng)焊接技術(shù)已經(jīng)普遍用于薄壁鋁合金連接，然而在國內(nèi)此項(xiàng)技術(shù)尚不成熟[4]。高頻感應(yīng)焊接是借助高頻加熱待焊管，同時(shí)施壓實(shí)現(xiàn)連接。對于薄壁鋁合金焊接時(shí)極易出現(xiàn)焊透或欠焊等缺陷，且焊接質(zhì)量嚴(yán)重影響汽車熱交換器的使用及失效，因此研究焊管的顯微組織具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的覆層鋁合金薄板，內(nèi)覆層是AA3003系合金，屬于防銹鋁，具有一定的強(qiáng)度，其組織中各相電極電位相近而具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。外覆層AA4043是鑄造鋁合金，此合金線膨脹系數(shù)小，熔點(diǎn)低，焊接性能好。中間層是AA7072系高強(qiáng)鋁合金，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。管材厚0.3 mm，外層和內(nèi)層各占總厚度的10%，其余為中間層，各層合金成分見表1，覆層鋁合金示意如圖1所示。

表1 覆層鋁合金化學(xué)成分Tab.1 Cladding aluminum alloy chemical composition%

圖1 覆層鋁合金示意Fig.1 CAD drawing of Cladding aluminum alloy

試驗(yàn)所用試樣取自湖北鐘祥某公司覆層鋁合金板材按一定的方向彎曲成型，形成內(nèi)層和外層。焊接時(shí)，焊管溫度低于38℃，適當(dāng)?shù)暮附铀俣群秃附庸β?，可以得到質(zhì)量合格的焊管。質(zhì)量合格的焊管焊接工藝如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

管材厚為0.3 mm，為了獲得盡可能大的觀察面積，在扁平管上以小角度取試樣，如圖2所示，直角三角形的斜邊是剪切面，也是觀察面。

鑲嵌試樣后手動(dòng)打磨6次，使用5%NaOH堿溶液，60℃～70℃腐蝕2～3 min，并采用GX51F金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)研究了覆層鋁合金高頻感應(yīng)焊焊縫的組織與性能。

表2 質(zhì)量合格的焊管的焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding process parameters of quality qualification welded tube

圖2 采樣示意Fig.2 Sampling schematic

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相分析

如圖3所示，采用配合二焊接工藝參數(shù)的焊管，由圖3a可知，外層材料中存在大量的初生Si組織和Al-Si共晶組織，均勻分布在鋁合金基體中，且以圓球狀存在。圖中黑色的襯度是Si元素相，灰白襯度是Al元素相。中間層材料是α-Al為基體并析出大量均勻Mg2Si、MgZn2等中間相，屬高強(qiáng)鋁合金的正常組織。在焊接過渡區(qū)出現(xiàn)了Al-Si共晶組織，這是由于合金成分位于亞共晶相區(qū)，而此區(qū)域合金共晶轉(zhuǎn)變溫度范圍窄，且Mn元素在鋁合金中擴(kuò)散系數(shù)又很小，形成了少量偏析組織。

由圖3b可知，內(nèi)層組織最主要的第二相為Al-Zn、Al-Mg、Mg-Zn的析出化合物組織，并呈圓球狀均勻分布在基體組織中。覆層材料經(jīng)過高頻焊接后，每一層的第二相組織都以圓球狀均勻分布于基體中，從而提高材料強(qiáng)韌性。

圖4為覆層焊管焊接后焊接區(qū)的金相組織。沿圖4中焊接區(qū)、熱影響區(qū)、基體區(qū)水平方向按一定間距（0.14 mm）各取14個(gè)點(diǎn)測取材料的維氏硬度值，如圖5所示。試驗(yàn)采用配合二焊接工藝參數(shù)的焊管的硬度分布，由圖5可知，各區(qū)硬度分布相差不大，每個(gè)區(qū)基本可以維持水平。焊縫區(qū)的顯微硬度明顯小于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)的顯微硬度高于基體區(qū)。這是由于焊縫區(qū)位于熔池中心，其成分比在共晶點(diǎn)左右，組織主要為共晶組織，而熱影響區(qū)在焊接時(shí)極易形成過飽和組織，提高了強(qiáng)度。經(jīng)過爆破、拉伸試驗(yàn)，材料的斷口大部分位于母材，說明采用高頻感應(yīng)焊接技術(shù)可以得到質(zhì)量優(yōu)異的焊縫，這安全符合組織分析的結(jié)果；在爆破試驗(yàn)中，合格焊管的被破壞位置大部分位于直接彎壓成型的側(cè)邊。表3為表2中三組工藝參數(shù)焊管及母材的拉伸試驗(yàn)值。

圖3 焊接試樣（配合二）金相組織對比Fig.3 Microstructure of welding organization contrast

2.2 顯微組織

焊管三層材料放大500倍SEM照片和與之相對應(yīng)的能譜圖如圖6所示，分別對圖中的彌散析出相做能譜分析，每個(gè)區(qū)域分別取6個(gè)點(diǎn)。

在內(nèi)覆層析出相中的元素主要是Al、Si、Mn、Fe，還有少量的Co、Cu、Zn，其中Mn和Fe的原子個(gè)數(shù)比為1：1，Al、Si的含量比例不確定，由此可以推測Fe、Mn、Al可能生成（FeMn）Al6或者M(jìn)nAl6化合物，彌散分布在α-Al和單相Si組織中，這是防銹鋁合金的最佳金相組織，組織中各相電化學(xué)電位相近，可保證熱交換器優(yōu)異的耐蝕性能。

圖4 覆層管焊縫區(qū)域的劃分Fig.4 Division of cladding tube weld area

圖5 焊管（配合二）顯微硬度分布Fig.5 microhardness distribution of Welded tube

表3 焊管及母材拉伸強(qiáng)度的對比Tab.3 Tensile strength contrast of tube between weld joint and basic metal

中間層組織中除了含有Al、Si、Mn、Fe以外，還出現(xiàn)了Cu、Mn、Ti等元素，并且合金元素的含量很低，表明元素固溶進(jìn)基體中以游離態(tài)存在，少量形成的化合物則彌散分布，且顆粒均勻、細(xì)小、圓潤，保證了基材高的強(qiáng)韌性。在外覆層組織中，Al-Si系是析出的主要化合物，且形態(tài)細(xì)小，分布均勻，屬典型的鑄鋁合金組織特征，這也使覆層焊管具有優(yōu)良的焊接性能。

圖6 焊管SEM像及能譜分析Fig.6 SEM photos of welding tube and Spectrum analysis

3 結(jié)論

（1）采用高頻感應(yīng)焊接技術(shù)焊接覆層鋁合金管，得到的焊管各層組織優(yōu)異，組織中的第二相均以圓球狀均勻分布，顆粒細(xì)小。

（2）在拉伸試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)、顯微硬度測試中高頻焊管都表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。

（3）焊管的各層組織中因各自元素含量的差異形成了一種或多種彌散分布的第二相顆粒，提高了材料的性能。

（4）運(yùn)用高頻感應(yīng)焊接技術(shù)得到的散熱器管質(zhì)量好，此項(xiàng)技術(shù)是一項(xiàng)優(yōu)異的鋁合金薄壁焊管連接技術(shù)。

[1]趙海軍，劉磊，朱建華.汽車鋁制熱交換器的研究進(jìn)展[J].焊接技術(shù)，2004（33）：3-5.

[2]劉增嘏，袁嘉良.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的發(fā)展趨勢及其對銅材的要求[J].上海有色金屬，2001（22）：145-149.

[3]趙新雨，劉澤勒.空調(diào)制冷行業(yè)鋁制熱換器發(fā)展存在的問題及對策[J].綠色科技，2012（4）：284-285.

[4]耿開博，鋁管.不銹鋼管的高頻感應(yīng)焊接[J].焊管，2009（32）：29-32.

Study on the microscopic structure and process of cladding aluminum alloy by high frequency induction welding

CHEN Hong，PAN Lianlian，WANG Zhiwei，LIU Xiaodong
（Mechanical Engineering of Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Cladding aluminum alloy sheet is made up of three layers，the middle coating is high-strength aluminum alloy AA7072，the outer coating is casting aluminum alloy AA4043 with excellent weldability and the inner coating is stain resistant aluminum alloy AA3003 with corrosion resistance.Through high-frequency induction welding technology，cladding aluminum alloy sheet which is bended into a elliptical by multiple-mold machine is produced into tube.Microscopic structures and mechanical properties of welded joint are analyzed by metallographic observation，microhardness and scanning electron microscope(SEM)，and blasting test.investigated.Results reveal that the microscopic structures are well-distributed and mechanical properties are perfect.Diffuse distribution in each layer of tissue with one or more second phase particles，mechanical performance is better than that of the parent metal.

cladding aluminum alloy；high-frequency induction welding；microscopic structure

TG113.12

：A

1001-2303（2015）09-0084-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.18

2014-10-24；

2015-12-17

陳 洪（1959—），男，湖北武漢人，教授，碩士，主要從事金屬材料、功能材料、陶瓷材料方面的研究工作。