劉 正，霍海龍，郭雨菲，郭陽(yáng)陽(yáng)，潘厚宏

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

6005鋁合金中厚板等離子-MIG復(fù)合焊接頭組織與力學(xué)性能

劉 正，霍海龍，郭雨菲，郭陽(yáng)陽(yáng)，潘厚宏

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

采用等離子-MIG復(fù)合焊工藝對(duì)16 mm厚6005鋁合金進(jìn)行雙面焊接，研究焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，焊縫區(qū)為等軸樹(shù)枝晶，熔合線附近為柱狀晶組織，熱影響區(qū)相比母材組織粗化；接頭各區(qū)顯微硬度值均低于母材；接頭的側(cè)彎試驗(yàn)可達(dá)180°；抗拉強(qiáng)度201 MPa，為母材強(qiáng)度的77.31％，斷裂位置在熱影響區(qū)內(nèi)。

6005鋁合金；等離子-MIG；組織；力學(xué)性能

0 前言

6005鋁合金系中等強(qiáng)度可熱處理強(qiáng)化Al-Mg-Si系鋁合金，焊接性和耐蝕性良好，廣泛用于高速列車車體制造，日本的相關(guān)牌號(hào)為6N01[1-3]。由于鋁合金材料具有大的比熱容、大的熱導(dǎo)率和高的電導(dǎo)率，決定了其在焊接中應(yīng)盡可能使用低線能量、高熱輸入的焊接方法[4]。

等離子-MIG復(fù)合焊是在一把焊槍里同時(shí)燃燒等離子弧和MIG電弧。等離子弧是壓縮式電弧，能量密度高，電弧挺度、剛度好、穿透性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)深熔焊接，對(duì)熔池進(jìn)行輔助攪拌，有利于氣體和雜質(zhì)的上浮。與等離子弧并存的MIG弧，具有較強(qiáng)的金屬填充能力，載流能力大，能實(shí)現(xiàn)高效焊接生產(chǎn)[5]。相比于激光-MIG焊工藝，等離子-MIG焊工藝目前的研究較少，相關(guān)報(bào)道較少[6-8]。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

試驗(yàn)選用16 mm厚6005-T5鋁合金板材,試板尺寸300 mm×150 mm。填充焊絲型號(hào)為ER5356，直徑1.6 mm。母材與焊絲的成分見(jiàn)表1。等離子氣和保護(hù)氣均采用純度為99.99％的氬氣。

表1 母材及焊絲的主要化學(xué)成分Tab.1Nominal chemical composition of 6005 and ER5356％

等離子-MIG復(fù)合焊設(shè)備由以色列PLT公司MD系列等離子-MIG焊接裝置和日本安川焊接機(jī)器人組成。等離子焊炬與工件垂直，MIG焊炬與工件呈60°角。等離子電源為集成于等離子-MIG焊接裝置中的300 A變極性電源，MIG電源采用兩臺(tái)并聯(lián)的奧地利Fronius公司TPS5000焊機(jī)，焊接系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 等離子-MIG焊接系統(tǒng)示意Fig.1Schematic diagram of plasma-MIG

接頭采用如圖2所示的雙面V型坡口設(shè)計(jì)。采用機(jī)械清洗加化學(xué)清洗的方法去除坡口及其附近區(qū)域的氧化膜、油污油脂。焊前對(duì)試板做剛性固定，如圖3所示。單道依次焊接試板的正面和反面。焊接時(shí)對(duì)接頭背面進(jìn)行富氬保護(hù)，焊接參數(shù)如表2所示。

圖2 坡口示意Fig.2Schematic diagram of bevel

表2 主要焊接工藝參數(shù)Tab.2Main welding parameter

圖3 試板裝夾Fig.3Clamping of welding plate

參照GB/T2651-2008（焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法）、GB/T 2653-2008（焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法）、GB/T 2654-2008（焊接接頭硬度試驗(yàn)方法）有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接頭進(jìn)行取樣和試驗(yàn)。金相試樣經(jīng)研磨拋光后，使用keller試劑（體積比HF：HCl：HNO3：H2O=2：3：5：190）腐蝕，使用蔡司Axio Observer A1m金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織。硬度試驗(yàn)使用HVS-30型數(shù)顯式維氏硬度計(jì)，載荷3 kgf，保荷時(shí)間10 s。使用CMT4304電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，標(biāo)距70mm，載荷加載速率1 mm/min。彎曲試驗(yàn)時(shí)，采用壓頭直徑50 mm，輥筒間距離85 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 接頭宏觀形貌

焊接接頭的宏觀形貌如圖4所示。在進(jìn)行反面焊接時(shí)，為保證焊透，增大了等離子電流，在相同的焊接速度下，熔深較正面焊增加2 mm，熔寬減少1 mm。由圖4可知，反面陰影區(qū)面積比正面大，這也是反面的熱輸入比正面多的具體反映。焊縫成形美觀，魚(yú)鱗紋均勻，無(wú)飛濺，無(wú)宏觀缺陷，焊縫成形良好。

由于工件自身厚度較大，散熱條件好，不能保證氣孔的完全上浮，可觀察到有少量氣孔存在（圖4中白點(diǎn)）。鋁合金焊接過(guò)程中出現(xiàn)的氣孔主要是氫氣孔[9]。

圖4 焊縫宏觀形貌Fig.4Macro-morphology of weld seam

2.2 焊縫的微觀金相組織觀測(cè)

6005鋁合金焊接接頭不同區(qū)域在200倍下的金相顯微組織如圖5所示。接頭各區(qū)經(jīng)歷的熱循環(huán)過(guò)程不同，形成不同的組織形態(tài)。

圖5a為母材顯微組織，T5供貨狀態(tài)的晶粒組織基體為再結(jié)晶組織：α（Al）固溶體和時(shí)效析出的Mg2Si強(qiáng)化相（黑色細(xì)小顆粒點(diǎn)）[10]。析出相細(xì)小，分布均勻。

圖5b為接頭焊接熱影響區(qū)顯微組織，相比于母材，組織粗大，出現(xiàn)了一些粗大的析出相。

圖5 焊縫各區(qū)金相組織Fig.5Microstructures of the welding joint

圖5c為熔合線附近區(qū)域的金相組織。焊縫區(qū)側(cè)有垂直于熔合線的粗大柱狀晶。晶粒沿著母材界面聯(lián)生形核、長(zhǎng)大，沿散熱方向生長(zhǎng)。焊縫中心的顯微組織見(jiàn)圖5d，細(xì)小的雪花狀等軸樹(shù)枝晶分布明顯，取向雜亂無(wú)章，是典型的鑄造組織。

2.3 接頭顯微硬度分布

6005鋁合金等離子-MIG焊接接頭顯微硬度分布如圖6所示。焊縫區(qū)硬度遠(yuǎn)低于母材，硬度平均值58.43HV。距焊縫中心5～10mm的兩側(cè)對(duì)稱區(qū)域，硬度值在67 HV附近波動(dòng)，介于焊縫與母材之間，是接頭的淬火區(qū)。距焊縫中心約10 mm的位置，硬度值陡降至54 HV，是接頭的軟化區(qū)。出軟化區(qū)遠(yuǎn)離焊縫方向，硬度值逐漸上升，距焊縫中心20 mm，硬度值恢復(fù)到母材的狀態(tài)。

硬度數(shù)據(jù)表明，接頭各區(qū)硬度明顯低于母材。焊縫金屬為鑄造組織，硬度值低于經(jīng)過(guò)人工時(shí)效處理的母材。淬火區(qū)溫度高于母材的固熔溫度，冷卻速度快。該區(qū)過(guò)冷度大，強(qiáng)化相析出少，得到與基體保持共格關(guān)系的過(guò)飽和固溶體，固溶體中有呈彌散分布的細(xì)小Mg2Si相，導(dǎo)致硬度值高于焊縫和軟化區(qū)[11]。軟化區(qū)的形成主要與晶粒受熱粗化和強(qiáng)化相的過(guò)時(shí)效有關(guān)。軟化區(qū)溫度高于焊接前的時(shí)效溫度，但又未及固溶溫度，使強(qiáng)化相Mg2Si在冷卻時(shí)發(fā)生了聚集和長(zhǎng)大。粗化的組織會(huì)惡化材料的力學(xué)性

能。出軟化區(qū)后，受焊接熱源的影響減弱，硬度值逐漸增加，最后恢復(fù)到母材狀態(tài)。

圖6 顯微硬度分布Fig.6Distribution of micro-hardness

2.4 接頭拉伸、側(cè)彎試驗(yàn)

對(duì)6005鋁合金接頭進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，彎曲角度180°時(shí)能清晰地看到接頭熱影響區(qū)，焊接接頭沒(méi)有出現(xiàn)裂紋等缺陷，有一定的塑性儲(chǔ)備。

對(duì)6005鋁合金接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。焊接接頭抗拉強(qiáng)度201MPa，為母材的77.31％，與激光-MIG焊工藝相當(dāng)，優(yōu)于普通MIG焊工藝（約母材強(qiáng)度的60％）[12]。該強(qiáng)度高于歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN288-4要求的195 MPa，符合高速列車的使用標(biāo)準(zhǔn)[13]。如圖7所示，焊接接頭拉伸試樣斷口位于接頭的熱影響區(qū)，呈斜45°角斷裂。斷裂區(qū)附近出現(xiàn)了明顯褶皺收縮，這表明試樣斷裂前經(jīng)歷了充分的塑性變形過(guò)程。

表3 母材及接頭拉伸力學(xué)性能Tab.3Tensile properties of specimens

圖7 接頭斷裂位置示意Fig.7Fracture location for tensile test specimen

3 結(jié)論

采用等離子-MIG焊工藝焊接16 mm厚6005-T5鋁合金，開(kāi)雙面V型80°坡口，中間留4 mm鈍邊，能單側(cè)一次性焊透。

（1）熱影響區(qū)組織粗大，熔合線區(qū)域?yàn)橹鶢罹?，焊縫中心為雪花狀等軸樹(shù)枝晶。

（2）6005鋁合金接頭硬度試驗(yàn)表明，焊接接頭各區(qū)硬度均低于母材。焊縫區(qū)硬度高于軟化區(qū)，低于接頭淬火區(qū)。

（3）6005鋁合金等離子-MIG焊接頭的側(cè)彎試驗(yàn)彎曲角度可達(dá)180°，抗拉強(qiáng)度201 MPa，為母材強(qiáng)度的77.31％。斷裂位置位于接頭熱影響區(qū)。

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Microstructure and mechanical properties of 6005 aluminum alloy welding joint in medium plate using plasma-MIG hybrid welding

LIU Zheng，HUO Hailong，GUO Yufei，GUO Yangyang，PAN Houhong
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Plasma-MIG hybrid welding of 6005 aluminum alloy with 16mm thickness and double V-groove was carried out.The microstructure and mechanical properties of the welded joint were investigated.The results showed that the microstructure was characterized by equiaxed dendritic crystal and columnar crystal in the weld seam zone and at the weld side of fusion zone respectively.And the microstructure in HAZ was coarser than that in base metal.The microhardness in the weld was lower than that in the base metal.The side bend test of the welded joint could reach 180°.The tensile strength of the welded joint was 201 MPa which was 77.31％that of the base metal.The fracture was located in the HAZ.

6005 aluminum alloy；plasma-MIG；microstructure；mechanical properties

TG457.14

A

1001-2303（2016）08-0092-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.22

2015-12-04；

2016-02-03

江蘇科技大學(xué)生先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金資助項(xiàng)目（JSAWT-11-02）

劉正（1990—），男，四川內(nèi)江人，在讀碩士，主要從事輕金屬焊接工藝的研究。