管曉光， 鄭光海

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

隨著材料輕量化的要求，越來越多的鋁合金應(yīng)用于產(chǎn)品制造中。5083 鋁合金以其良好的成形加工性、抗蝕性等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用在船舶、致冷裝置、導(dǎo)彈元件、裝甲等部件中。針對中厚板鋁合金TIG 焊焊接中普遍存在熔透能力較差、焊接變形大、接頭強度低的問題，國內(nèi)外研究者開展了大量研究工作［1－5］。從已有研究成果來看，不填絲自熔可有效改進(jìn)焊縫成形和提高疲勞強度［6－7］。因此，筆者探討TIG 焊接工藝對5083 鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響，為優(yōu)化TIG 焊工藝、提升產(chǎn)品性能提供了參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

采用標(biāo)準(zhǔn)的6062 鋁合金焊絲。5083 鋁合金成分見表1。試樣尺寸為150 mm×100 mm×10 mm。

表1 5083 鋁合金化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of 5083 aluminum alloy

1.2 實驗方法

1.2.1 焊接工藝參數(shù)

試件分為四組，銑Y 形45°坡口，做焊前清理。利用MW－3000 型TIG 焊機焊接成形。各試件焊接參數(shù)及工藝見表2 和表3。

表2 焊接參數(shù)Table 2 Welding parameters

1.2.2 力學(xué)性能測試

加工標(biāo)準(zhǔn)焊接拉伸試樣，尺寸如圖1 所示。在萬能實驗機上進(jìn)行拉伸實驗。拉伸后在掃描電鏡下觀察斷口形貌，并結(jié)合金相組織進(jìn)行分析。

表3 各試件焊接工藝Table 3 All specimens of welding technology

圖1 拉伸試件尺寸Fig．1 Tensile specimen diagrammatic sketch

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫宏觀形貌

焊縫宏觀形貌如圖2 所示，自左向右，依次為1～4號試件。

圖2 焊縫宏觀形貌Fig．2 Macro-morphology of weld metal

各試件成形比較見表4。從焊接成形來看，1～4 號試件焊縫表面光滑，成形良好，無任何明顯的表面缺陷。與1 號試件相比，2 號試件背面余高較小，3 號試件熔寬大，熔深較小。4 號試件熔深最大，熔寬最小?？傮w而言，四種TIG 焊焊接工藝均可對5083 鋁合金進(jìn)行焊接，焊接接頭宏觀形貌較好。由于焊接工藝參數(shù)設(shè)計較為合理，層間溫度控制在80°左右，所以既可避免過熱的組織粗大，也可以減少熱應(yīng)力，縮小焊接變形。不填絲自熔可以有效保證焊縫成形。

表4 試件成形比較Table 4 Specimen shape comparison

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1 拉伸實驗結(jié)果

宏觀上看，1～3 號試件均在母材處斷裂，4 號試件在焊縫處斷裂。通過拉伸實驗得到四種試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如圖3 所示。從應(yīng)力－應(yīng)變曲線可知，1～4 號試件為連續(xù)屈服，在變形過程中有硬化現(xiàn)象。分析原因可能是在鋁合金焊縫中有二次相彌散析出。

圖3 5083 鋁合金TIG 焊試件應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig．3 Stress-strain curves about 5083 aluminum alloy specimen by tungsten arc welding

圖4 為拉伸試件的力學(xué)性能比較。從圖4 可以看出，鋁合金試件抗拉強度由低到高的次序依次是3、2、4 和1 號。屈服強度最高的試件是4 號，達(dá)87 MPa，由低到高的依次是3、2、1 和4 號。伸長率最高的試件是2 號，可達(dá)24．6%，其次是1 號和3 號。4 號試件伸長率最低，為17．3%。

2．2．2 金相組織分析

圖4 5083 鋁合金試件拉伸性能比較Fig．4 Comparison of tensile properties about 5083 aluminum alloy

1～4 號試件焊縫、母材及4 號試件熔合區(qū)的金相組織如圖5 所示。金相組織主要由α－Al 和β －Al3MG2相組成。與圖5e 母材金相相比，1～3 號試件二次析出相β 相(黑色)較多。1 號試件組織細(xì)小，β 相(具有基體強化作用)分布在α 基體上;2 號試件稀釋率較低，二次析出相β 相較1 號試件少;3號試件組織由于兩次重熔稀釋率更低，焊縫中的晶粒與母材相比變大，β 相較少;4 號試件的二次析出相β 相減少，未熔化的B 彌散分布于焊縫α 基體中促使晶粒較1 號試件更為細(xì)化。4 號試件熔合區(qū)(圖5f)的熔合線兩側(cè)組織區(qū)別較大，靠近熱影響區(qū)組織更接近于母材。

在實驗設(shè)定TIG 工藝條件下，僅有4 號試件從焊縫處斷裂。這是因為，1～3 號試件焊縫β 相比4號試件β 相多且均勻，冷卻時β 相析出，具有強化作用，促使焊縫強度高于母材，從母材處斷裂。而4號試件由于B 的加入，β 相析出進(jìn)一步減少。B 加入量偏大，焊縫脆性增大，故從焊縫處斷裂。4 號試件力學(xué)性能變化較大的原因是，B 的加入雖然促使焊縫深寬比增大，但加入量過高，使其成為過剩相，阻礙了位錯運動，起到彌散強化作用，促使抗拉強度提高。不填絲自熔進(jìn)一步增大了焊接接頭的稀釋率和冷卻速度，二者的綜合作用使其抗拉強度也僅次于1 號試件。由圖5d 可知，B 彌散分布在基體中，使焊縫晶粒細(xì)化，因此，4 號試件的屈服強度是四組試件中最高的。但由于B 加入量大，且難分解，使得試件韌性下降，所以延伸率最小。

圖5 5083 鋁合金試件金相組織(400 ×)Fig．5 Metallurgical structure of 5083 aluminum alloy test samples(400 ×)

2．3 斷口形貌觀察與分析

圖6 為1～4 號試件在掃描電鏡下觀察的斷口形貌。從斷口形貌來看，1～4 號試件都有韌窩存在，出現(xiàn)微孔拉斷的特征，為韌性斷裂。斷前出現(xiàn)撕裂。1 號撕裂棱最為明顯。2 號件韌窩深且較均勻，因此塑性最好，1 號次之。3 號韌窩相對較少，這是因為3 號采用兩次不填絲自熔方式焊接，稀釋率變大，夾雜少，晶界變少，第二相脫離而形成的微孔形核數(shù)量較少，因此韌窩較少。兩次自熔方式使3 號試件的熱輸入量增大，熔合比降低，組織粗大(圖5c)，塑性相對2 號明顯降低。與其余試件相比，4 號試件韌窩小且淺，韌窩內(nèi)部明顯有第二相析出，塑性變差。而B 在該試件中起彌散細(xì)化作用，細(xì)化晶粒，促使熔合比降低和冷速增大。又由于B 的加入量偏高，熔點高，分解溫度低，析出多，金相圖上有明顯的的未熔態(tài)B 存在(圖5d)，使得韌性下降明顯，因此4 號韌性最差。

圖6 拉伸試件斷口掃描照片F(xiàn)ig．6 Fracture observed by scanning

3 結(jié) 論

(1)中厚板5083 鋁合金TIG 焊接接頭拉伸變形呈現(xiàn)連續(xù)屈服的塑性變形，并伴有硬化現(xiàn)象。

(2)在適合的焊接工藝參數(shù)下，不填絲自熔的次數(shù)和順序、B 的加入直接影響材料的力學(xué)性能。B 可以保證中厚板鋁合金TIG 焊接接頭的力學(xué)性能，但要采用最后一道不填絲自熔方式。

(3)拉伸斷口均有韌窩存在，出現(xiàn)微孔拉斷的特征，為韌性斷裂，斷前出現(xiàn)撕裂。不填絲自熔次數(shù)增多，斷口韌窩變少，塑性、強度降低。

(4)在實驗所采用的工藝參數(shù)條件下，最后一道不填絲自熔，取層間溫度80 ℃，坡口角度90°，可以獲得綜合力學(xué)性能最佳的TIG 焊接接頭組織。

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