嚴(yán) 鏗，何旭丹，王清曌，高莉華

(江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江212003)

鋁合金具有密度小、強(qiáng)度重量比高和可塑性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造、航空航天工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用［1］.鋁合金的焊接通常采用TIG焊［2］.但是，采用傳統(tǒng)TIG焊單道焊接時(shí)焊接熔深較淺，一般適用于薄板焊接.近年來，活性化鎢極氬弧焊(ATIG焊)在國內(nèi)外引起了重視［34］，它在保證焊縫質(zhì)量的基礎(chǔ)上，使得焊接熔深顯著增加，可達(dá)至傳統(tǒng)TIG焊的2～3倍，從而大大提高焊接生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本［5］.目前，ATIG焊接法已經(jīng)應(yīng)用于焊接不銹鋼、碳鋼、CMn鋼、鎳基合金及鈦合金等多種材料［6］.但是國內(nèi)在鋁合金活性劑的研制、應(yīng)用方面卻鮮見報(bào)道.

文中針對6061鋁合金，采用自行研制的活性劑配方，綜合考慮焊接電流、焊接速度、電弧長度、活性劑涂敷寬度等方面因素，采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，得到一組良好的焊接工藝參數(shù).焊后通過金相組織觀察分析了表面活性劑對焊縫組織的影響，并借助X射線能譜分析、X射線衍射分析等檢測手段分析了活性劑對焊縫化學(xué)成分和物相組成的影響，最后通過力學(xué)性能試驗(yàn)分析了活性劑對焊縫力學(xué)性能的影響.

1 試驗(yàn)

本試驗(yàn)選用的焊接材料為6061鋁合金，試件尺寸為250mm×200mm×10mm.試驗(yàn)前首先將試板用不銹鋼鋼絲刷打磨至露出金屬光澤，然后用丙酮擦拭干凈.用酒精將自行研制的活性劑調(diào)成糊狀，用扁平的毛刷均勻地涂敷在試板指定區(qū)域，涂覆方式如圖1.根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，活性劑涂覆厚度統(tǒng)一定為0.2mm.

圖1 活性劑涂覆示意圖Fig.1 Diagram of activating flux coated in partition

活性劑和板材準(zhǔn)備工作結(jié)束之后，按表1正交試驗(yàn)方案進(jìn)行焊接試驗(yàn).焊接過程中，焊槍始終精確對準(zhǔn)中心線.

表1 正交試驗(yàn)方案Table1 Schemes of orthogonal design experiments

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

1 )直觀分析

圖2是根據(jù)焊縫熔深測量結(jié)果繪制的熔深比分布直方圖(圖中:H為溶深，D為焊縫厚度).從熔深比分布直方圖看出，第7組試驗(yàn)的熔深比最大，達(dá)到3.214以上，是當(dāng)前最好的水平搭配，對應(yīng)的水平組合為:焊接電流240A，焊接速度40mm/min，電弧長度4mm，中心區(qū)域涂覆寬度6mm.

圖2 正交試驗(yàn)焊縫熔深比Fig.2 W eld-penetration of orthogonal design

2 )極差分析

對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，如表2.極差為各因素列中3個(gè)水平值中的最大值與最小值之差，反映了該列所排因素選取的水平變動(dòng)對指標(biāo)影響的大?。?］.由此即可將4個(gè)試驗(yàn)因素對熔深的影響大小排序?yàn)?焊接電流，中心區(qū)域涂覆寬度，焊接速度，電弧長度.

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Tab le 2 Analysis of the results of orthogonal design experiments

比較均值及總和大小可以確定各因素最佳組合條件.由表2顯示，因素A中水平3的均值最大，從而確定此時(shí)A3為最佳條件.同理類推，最終可以從理論上計(jì)算出最佳組合條件為:A3B1C1D1，即電流240A，焊接速度40mm/min，弧長3mm，中心區(qū)域涂覆寬度4mm.

3 )驗(yàn)證試驗(yàn)

綜合以上分析，目前獲得兩組較好的水平組合搭配，一組是第7號試驗(yàn)組合A3B1C3D2;另一組是從理論上計(jì)算出的最佳水平組合A3B1C1D1.但是，在9次試驗(yàn)中沒有包含A3B1C1D1這個(gè)水平組合，故要追加試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.

追加試驗(yàn)結(jié)果表明，在A3B1C1D1下，YG6061活性劑增加熔深效果顯著，熔深增加在3倍以上.可在不開坡口、不預(yù)熱、定點(diǎn)填絲的情況下一次焊透10mm的鋁板對接接頭，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，背后余高約1mm.同時(shí)，焊縫熔寬增加保持在1.2倍左右，裂紋和氣孔問題得到大大改善.無活性劑和涂覆活性劑的焊縫截面形貌對比如圖3.

圖3 常規(guī)TIG焊和A－TIG焊縫截面形貌對比Fig.3 W eld cross-sections of conventional TIG welding and A-TIG W elding

2.2 焊縫成分分析

利用X射線能譜儀(EDS)對焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析(表3)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)TIG焊和ATIG焊的焊縫區(qū)的化學(xué)成分差異不大，主要成分都是Al和Mg，而且Al占絕大比例.

表3 TIG焊焊縫中心區(qū)域能譜分析結(jié)果Table3 Spot scan result data of TIG welding centre zone

分別對沒有涂覆活性劑的焊縫和涂覆活性劑的焊縫進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖4.

圖4 X射線衍射圖Fig.4 X－ray diffration pattern

試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是涂覆活性劑還是沒有涂覆活性劑，焊縫區(qū)都存在Al和Mg2Si兩種衍射峰，其中的Al衍射峰很強(qiáng)，而Mg2Si衍射峰較弱.其原因是因?yàn)锳l是基體元素，故α(Al)相為主要相，而Mg，Si元素的含量較少，生成的金屬間化合物Mg2Si也較少.焊縫中的相組成均為α(Al)相和Mg2Si相，這說明活性劑的加入對焊縫的物相組成沒有影響.

2.3 金相組織分析

在顯微鏡下對焊縫的斷面進(jìn)行微觀分析發(fā)現(xiàn)，焊縫中的晶體形態(tài)主要是柱狀晶和少量等軸晶.其中焊縫區(qū)組織主要為焊縫中心的等軸晶和靠近焊縫區(qū)的樹枝狀晶.熔合區(qū)組織主要為柱狀晶.焊縫不同區(qū)域金相顯微組織如圖5.

活性TIG焊接頭組織晶粒細(xì)化的原因可能有兩個(gè)方面:①活性焊劑的合金元素促進(jìn)了非自發(fā)形核，使焊縫金屬晶粒細(xì)化;②在相同焊接規(guī)范下，活性TIG焊接法獲得的熱輸入能量更集中，在熔池凝固過程中，溫度梯度更大，形成的金相組織較細(xì)小.

圖5 焊接接頭的金相組織照片F(xiàn)ig.5 M icrostructure pictures of welding joints in different areas

與常規(guī)TIG焊相比，活性TIG焊的焊縫組織細(xì)密，基本不存在氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷.

2.4 焊接接頭力學(xué)性能分析

1 )拉伸試驗(yàn)

5 個(gè)涂覆活性劑的焊接試件全部斷于標(biāo)距線以內(nèi)的母材區(qū)，斷后的外觀形貌及斷裂位置如圖6.觀察發(fā)現(xiàn)，拉伸斷口呈纖維狀，顏色灰暗，斷裂面與軸向夾角呈45°左右.

圖6 拉伸試樣斷裂位置Fig.6 Fracture locations of tensile

拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表4.5個(gè)涂覆活性劑試件的平均抗拉強(qiáng)度為174.79MPa，平均屈服強(qiáng)度為103.82MPa，與母材等強(qiáng).平均斷裂伸長率為17.01%，也與母材相當(dāng).結(jié)果表面，活性TIG焊接接頭的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均可達(dá)到與母材相當(dāng)?shù)乃?

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Table4 Results data of tensile test

2 )硬度試驗(yàn)

焊接接頭的顯微硬度分布如圖7.從繪制的硬度曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，活性TIG焊焊縫的硬度值相比常規(guī)TIG焊焊縫的硬度值有了很大提高.活性TIG焊焊縫區(qū)的硬度值最高，熱影響區(qū)有所減小，但基本達(dá)到母材的硬度.

圖7 顯微硬度曲線Fig.7 Curves ofm icrohardness test

焊接接頭不同區(qū)域的硬度值有很大不同，這與其顯微組織有很大的聯(lián)系.活性TIG焊的焊縫區(qū)存在大量的等軸晶，由于晶粒較母材細(xì)小，所以硬度值較大.在熱影響區(qū)硬度值有所降低，這主要是由于熱影響區(qū)晶粒組織長大所致，但硬度值基本與母材相當(dāng).

3 結(jié)論

1 )最佳焊接工藝參數(shù)為:電流240 A，焊接速度40 mm/min，弧長3 mm，中心區(qū)域涂覆寬度4mm.在此焊接工藝條件下，混合活性劑增加熔深效果顯著，可一次焊透10mm的鋁板，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形.

2 )活性劑的加入對焊縫的化學(xué)成分及物相組成基本沒有影響.

3 )與常規(guī)TIG焊相比，活性TIG焊的焊縫組織細(xì)密，基本不存在氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷.

4 )活性TIG焊接接頭的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均可達(dá)到與母材相當(dāng)?shù)乃?，焊縫區(qū)的硬度明顯提高，焊接接頭性能良好.

References)

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