閆德俊，韓端鋒，王 毅，羅玖強(qiáng)，劉曉莉，梁志敏

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1561鋁合金雙面雙弧TIG焊接接頭的組織和力學(xué)性能

閆德俊1, 2，韓端鋒1，王 毅2，羅玖強(qiáng)2，劉曉莉2，梁志敏3

(1. 哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150003；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715；3. 河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018)

采用雙面雙弧錯(cuò)位TIG填絲立向焊工藝對(duì)1561高鎂鋁合金進(jìn)行焊接，并對(duì)接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：焊縫中無(wú)氣孔和裂紋缺陷；1561鋁合金雙面雙弧錯(cuò)位立向焊縫橫截面存在著“人”字形粗晶區(qū)，粗晶區(qū)兩側(cè)和下方有細(xì)晶區(qū)，同時(shí)，在部分熔化區(qū)出現(xiàn)了范圍較窄的粗晶區(qū)；正反面焊道的顯微硬度均低于母材的，但熱影響區(qū)并沒有表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的90%以上，力學(xué)性能良好；接頭粗晶區(qū)的存在與雙面雙弧錯(cuò)位TIG焊的溫度場(chǎng)和熔池流場(chǎng)有關(guān)。

焊接接頭；雙面雙弧錯(cuò)位立焊；組織非均勻性；維氏硬度

鋁鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度大、耐海水腐蝕性好、無(wú)磁性、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)。用其作船體材料可以有效地減輕船舶的質(zhì)量，提高穩(wěn)定性和航速，增強(qiáng)艦艇的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能。對(duì)于高速滑行艇、水翼艇、登陸艇、小水面船及一些特殊用途船，選用鋁鎂合金尤為適宜。俄制1561鋁合金因具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于特種鋁合金船舶中[1]。

雙面雙弧焊接具有效率高、免除清根、工序簡(jiǎn)化、焊后殘余應(yīng)力和變形小等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到高度關(guān) 注[2?4]，在船舶領(lǐng)域逐漸展開應(yīng)用[5]。大多數(shù)學(xué)者主要研究了雙面雙弧TIG焊的工藝性、焊縫的力學(xué)性能，鋁合金焊縫的組織特征主要集中在基體與第二項(xiàng)粒子上，而對(duì)于鋁合金雙面雙弧TIG焊縫的晶粒特征研究較少[6?9]，WECKMAN等[10]研究了等離子與TIG兩種方法的平?仰雙面焊接的焊縫組織特征。因此，本文作者針對(duì)新型1561高強(qiáng)鋁鎂合金雙面雙弧TIG同步錯(cuò)位立焊焊接工藝進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究立焊接頭不同區(qū)域的組織分布特點(diǎn)和顯微硬度分布。本研究對(duì)指導(dǎo)鋁質(zhì)船舶雙面雙弧TIG填絲立焊工藝具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

該合金鎂含量高，易生成Al2O3和MgO氧化膜，MgO含量越高，形成的氧化膜越不致密，更易于吸收水分而促使氣孔產(chǎn)生。故焊前對(duì)鋁板及焊絲(指未經(jīng)光亮化處理)表面上的油污、氧化膜等進(jìn)行化學(xué)清理，尤其是容易產(chǎn)生氣孔的母材的坡口部位。為了提高焊縫質(zhì)量、防止氣孔、夾雜等缺陷產(chǎn)生，焊前對(duì)坡口及兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)用丙酮溶液進(jìn)行擦拭，保證沒有殘留油污。采用雙人雙面同步TIG填絲焊工藝，如圖1所示，由兩名焊工各持一把TIG焊槍，正反面同時(shí)進(jìn)行施焊、同時(shí)填絲。母材規(guī)格為400 mm×150 mm×4 mm的鋁板，采用機(jī)械方式開雙V型坡口，坡口角度為 60°、無(wú)鈍邊，裝配間隙 1.5~2 mm。1561高強(qiáng)鋁合金及焊絲的實(shí)際化學(xué)成分如表1所列，Mg為主要合金元素，Mn含量較低，其次為Fe、Si等雜質(zhì)元素，1561鋁合金屬于5×××系列高鎂鋁合金。本試驗(yàn)中采用兩臺(tái)福尼斯脈沖TIG焊機(jī)，保護(hù)氣為99.995%純Ar。經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，前面電弧焊接電流為85~90 A、后面電弧焊接電流為65~70 A，焊接速度為1.6~1.8 mm/s，兩個(gè)電弧間距離為4 mm左右時(shí)焊縫成型最好。

圖1 1561鋁合金雙面雙弧焊接照片

表1 1561鋁合金母材與焊絲化學(xué)成分

采用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察了1561鋁合金雙面雙弧TIG立焊接頭金相組織特征，并利用顯微硬度計(jì)測(cè)定雙面雙弧TIG焊焊接接頭硬度分布規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭微區(qū)的顯微組織

鎂含量高達(dá)6%的1561鋁合金采用雙面雙弧TIG立向焊接工藝后，經(jīng)X射線拍片檢查，氣孔率大大降低，夾雜、咬邊等缺陷也很少，達(dá)到船級(jí)社I級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)該焊接接頭的橫端面進(jìn)行取樣觀察，將多張顯微組織照片拼合后獲得的金相組織宏觀照片如圖2所示。由圖2可以看出，焊縫中沒有氣孔等缺陷。根據(jù)圖2可以將焊縫組織分成5個(gè)區(qū)域，分別為中心“人”字形粗晶區(qū)，粗晶區(qū)外側(cè)的兩個(gè)細(xì)晶區(qū)，熔合線附近部分熔化區(qū)的兩個(gè)粗晶區(qū)，“人”字形粗晶區(qū)下方所包圍的細(xì)晶區(qū)。粗晶區(qū)尺寸高達(dá)100 μm以上，細(xì)晶區(qū)尺寸僅為30 μm左右，表現(xiàn)出嚴(yán)重的組織非均勻性[11]。

圖2 1561鋁合金雙面雙弧焊接接頭的顯微組織

圖3所示為熔化區(qū)微觀組織放大圖。圖3(a)所示為電弧在上部的焊縫粗晶區(qū)，一方面是由于電弧中心部分溫度較高，是熱量散發(fā)中心，在熔池中通過對(duì)流與熱傳導(dǎo)方式傳遞到熔池周圍；另一方面是由于背面電弧的二次加熱作用，從而導(dǎo)致正面焊縫中心部位的冷卻速度較小，因此，產(chǎn)生的晶粒尺寸較大[12]。圖3(b)所示為焊縫中部的粗晶區(qū)，該區(qū)處于焊縫中心部分，溫度高散熱慢、冷卻速度小，又是正反面電弧的共同熔化區(qū)，進(jìn)一步降低了冷卻速度，因此，產(chǎn)生的晶粒尺寸大。圖3(c)和(d)所示為背面焊縫的左右側(cè)粗晶區(qū)，這可能是由于前面電弧熱量還未來得及傳遞走，后面電弧熱量又要通過該處傳遞到焊縫周圍金屬中，所以導(dǎo)致該區(qū)域的冷卻速度較小，因此，晶粒尺寸較大。圖3(e)所示為背面焊縫中“人”字形粗晶區(qū)所包圍的細(xì)晶區(qū)，與圖3(a)情況不同，該區(qū)域沒有對(duì)面電弧的二次加熱作用，故溫度梯度較大，又由于該區(qū)域的熱量通過兩側(cè)金屬傳遞到熔池周圍的原因，該區(qū)域的冷卻速度相對(duì)較大，所以晶粒較細(xì)小。

此外，在熔合線附近還出現(xiàn)了較窄的粗晶區(qū)，如圖4所示。這可能是由于母材金屬在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生熔化，但由于邊界處熔池流場(chǎng)流動(dòng)速度很小，未能與相鄰液體金屬發(fā)生充分混合，而幾乎保留了母材的成分。在隨后的冷卻過程中，母材金屬的重新凝固，由于焊縫邊緣處的生長(zhǎng)速率相對(duì)較小，因此，母材金屬生成了較為粗大的等軸晶組織，其晶粒明顯大于其周圍經(jīng)過軋制后的母材組織。

圖3 熔化區(qū)的顯微組織

圖4 熔合線附近粗晶區(qū)

根據(jù)DONG等[13]和崔旭明等[14]對(duì)雙面雙弧平?仰焊熔池流動(dòng)特點(diǎn)的研究結(jié)論，并結(jié)合本試驗(yàn)中正反面電弧錯(cuò)位特征，建立了如圖5所示的雙面雙弧錯(cuò)位TIG填絲立焊的熔池流動(dòng)示意圖。電弧在上部的焊接熔池，在洛倫茲力的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)下，由外向內(nèi)流動(dòng)，如圖5(a)所示，流到根部時(shí)，會(huì)在重力和表面張力共同作用下，流向背面焊接熔池；電弧在下部的焊接熔池中，也在洛倫茲力的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)下，由外向內(nèi)流動(dòng)。同時(shí)，遇到上部電弧流下來的液態(tài)金屬，二者相互作用后，使得下部熔池中產(chǎn)生圖5(b)的流動(dòng)特征，即上部液體向外流動(dòng)，內(nèi)部液體從外部向內(nèi)部流動(dòng)。由于二者在外部邊緣的流動(dòng)方向一致，流動(dòng)速率可能得到提高，這樣，導(dǎo)致凝固時(shí)間變長(zhǎng)，晶粒變得粗大。

圖5 雙面雙弧TIG填絲焊熔池流動(dòng)示意圖

2.2 焊接接頭不同區(qū)域的顯微硬度

為了測(cè)試1561高強(qiáng)度鋁合金雙面雙弧TIG填絲立焊的軟化傾向，分別對(duì)接頭上部電弧側(cè)、下部電弧側(cè)以及接頭中心位置的硬度進(jìn)行測(cè)試，間隔0.5 mm取點(diǎn)測(cè)試，具體測(cè)試位置和顯微硬度分布如圖6所示。由圖6可以看出，雙面雙弧TIG填絲立焊的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度均低于母材的，焊縫區(qū)硬度下降幅度較大，而熱影響區(qū)硬度下降幅度相對(duì)于焊縫來說較小。這是由于焊縫區(qū)是由熔池中熔融的液態(tài)金屬快速結(jié)晶形成，冷卻過程迅速，第二相粒子來不及析出及長(zhǎng)大，從而失去了母材的強(qiáng)化效果，所以硬度比母材低[15?16]。對(duì)于上部電弧焊道中心處，由于晶粒粗大而導(dǎo)致顯微硬度較低，最低值約為82HV；下部電弧焊道人字形的粗晶區(qū)顯微硬度值較低，最低約為83HV，下部電弧焊道的中心處細(xì)晶區(qū)顯微硬度值高于人字形粗晶區(qū)，最高值為87HV。

圖6 1561鋁合金焊接接頭顯微硬度

2.3 焊接接頭的力學(xué)性能

圖7所示為正彎與背彎試驗(yàn)以及拉伸試驗(yàn)測(cè)試。由圖7可以看出，正彎與背彎時(shí)，受拉面上沒有出現(xiàn)長(zhǎng)度超過3 mm的裂紋及其他缺陷。因此，正彎與背彎試驗(yàn)合格，滿足船級(jí)社檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，表明該接頭塑性良好。經(jīng)測(cè)試接頭抗拉強(qiáng)度為327.4 MPa(母材的抗拉強(qiáng)度為350 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的90%以上)，比單面自動(dòng)TIG焊接接頭的抗拉強(qiáng)度294.3 MPa高出33 MPa。這可能是由雙面雙弧焊接的速度和熱輸入較小，焊縫中產(chǎn)生的等軸晶數(shù)量增多的原因?qū)е碌腫12]。說明雙面雙弧TIG立向焊接工藝更適合于高鎂含量的1561鋁合金的立向焊接。

圖7 焊接接頭拉伸與彎曲測(cè)試

3 結(jié)論

1) 1561鋁合金雙面雙弧TIG立向填絲焊縫表現(xiàn)出較特殊的組織不均勻性。在焊縫中心出現(xiàn)了“人”字形粗晶區(qū)，在該粗晶區(qū)包圍中出現(xiàn)了細(xì)晶區(qū)；在部分熔化區(qū)出現(xiàn)了兩條較窄的粗晶區(qū)。

2) 探討了鋁合金雙面雙弧錯(cuò)位TIG填絲立向焊接熔池中液體流動(dòng)規(guī)律：上部熔池在洛倫茲力主導(dǎo)作用下，由外向內(nèi)流動(dòng)，且通過焊縫根部流向背面焊接熔池；下部熔池在洛倫茲力作用下，也由外向內(nèi)流動(dòng)，并與上面熔池流入的液態(tài)金屬發(fā)生交匯，在重力與洛倫茲力作用下，背面熔池中液態(tài)金屬總體上表現(xiàn)出從外部流向內(nèi)部，流動(dòng)速率可能得到加快。

3) 1561鋁合金雙面雙弧錯(cuò)位TIG填絲立向焊縫的顯微硬度比母材的低些，熱影響區(qū)的顯微硬度并不比焊縫的低。焊縫的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的90%以上，力學(xué)性能比較理想。

致謝：

本論文在實(shí)驗(yàn)過程中得到了中船黃埔文沖船舶有限公司楊偵高級(jí)技術(shù)、廣州有色金屬研究院蔡德濤、韓善果工程師提供試驗(yàn)的幫助，在此表示感謝。

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(編輯 李艷紅)

Microstructure and mechanical properties of 1561 aluminum alloy joints made by double-sided arc welding

YAN De-jun1, 2, HAN Duan-feng1, WANG Yi2, LUO Jiu-qiang2, LIU Xiao-li2, LIANG Zhi-min3

(1. School of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150003, China; 2. China State Shipbuilding Corporation Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited, Guangzhou 510715, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China)

1561 high magnesium aluminum alloy was welded by double-sided arc misplaced arc welding process, and the microstructure and mechanical properties of the joints were analyzed. The results show that the welds are free of pores and cracks, pores and cracks are not observed in the welds cross section of 1561 aluminum alloy. The herringbone coarse grain zone is observed in the weld cross section of 1561 aluminum alloy by the double-sided arc dislocation vertical welding, mixing fine grain zones on both sides of and below the herringbone coarse grain zone, and there is narrow range of coarse grain zone in the partially melted zone. The microhardness on positive and negative of the weld is lower than that in the base metal, but there is no obvious softening phenomenon in the heat affected zone. The tensile strength of welded joints reaches 90% of that of the base metal, so, the mechanical properties are good. The occurrence of coarse grain zone in the weld is studied and may be related to the temperature field and the flow field of double-sided arc dislocation TIG welding.

welded joint; double-sided dislocation vertical welding; tissue heterogeneity; Vickers hardness

Project(2013DFR7016) supported by the National International Science and Technology Cooperation Program, China; Project(A0720133002) supported by the Military Industry Basic Research Program, China; Project(201518) supported by the Science and Technology Program of Huangpu District, China

2015-11-01; Accepted date:2016-04-10

YAN De-jun; Tel: +86-20-82096191; E-mail: yandejun_2003@163.com

1004-0609(2016)-10-2065-06

TG444

A

國(guó)家國(guó)際合作項(xiàng)目(2013DFR7016)；國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(A0720133002)；黃埔區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201518)

2015-11-01；

2016-04-10

閆德俊，高級(jí)工程師，博士；電話：020-82096191；E-mail: yandejun_2003@163.com