徐曉龍 胡學(xué)峰 李赟豐 明廷澤蔣 勇 朱艷麗 胡光忠

共晶高硅型鋁合金焊絲CHM-Al4047的研制

徐曉龍1胡學(xué)峰1李赟豐1明廷澤1蔣 勇1朱艷麗2胡光忠2

(1．四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643010;2．四川理工學(xué)院，四川自貢643000)

采用連鑄連軋+機(jī)械刮削光亮化工藝制備共晶高硅型鋁合金焊絲CHM-Al4047，選擇6061－T6鋁合金板材作為試驗(yàn)?zāi)覆倪M(jìn)行焊接試驗(yàn)，并分析焊接接頭致密性、力學(xué)性能及各微區(qū)金相組織。結(jié)果表明，焊件射線檢測(cè)為Ⅰ級(jí)，接頭抗拉強(qiáng)度均值201 MPa，接頭系數(shù)0．69，彎曲性能優(yōu)良;焊縫組織為針狀共晶硅+細(xì)顆粒共晶硅+α(Al)，熱影響區(qū)Mg2Si相聚集長(zhǎng)大形成穩(wěn)定團(tuán)簇狀β相，導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)軟化，拉伸試樣斷裂于熱影響區(qū)。

連鑄連軋 鋁合金焊絲CHM-Al4047 焊接接頭 力學(xué)性能 金相組織

0 序 言

4047鋁合金焊絲化學(xué)成分代號(hào)為AlSi12，Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為11% ～13%，屬于典型的共晶鋁硅合金。熔化溫度范圍為576～582℃［1］，具有較低的熔點(diǎn)和狹窄的凝固區(qū)間，熔池浸潤(rùn)能力強(qiáng)，能夠顯著降低因凝固收縮能力不足而導(dǎo)致的焊接熱裂紋，焊縫剪切強(qiáng)度高。常被用作熱裂傾向強(qiáng)的Al-Cu-Mg，Al-Cu-Mg-Si，Al-Zn-Mg-Cu等難焊鋁合金、6系鋁合金、鑄鋁的焊接填充絲［2－4］及釬焊材料，在汽車零部件、軍事裝備制造、家用電器與暖通、輕工制造業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用［5］。

1 試驗(yàn)材料制備

1．1 4047鋁合金線桿的熔煉與連鑄連軋

按照55%Al99．7+45%AlSi20標(biāo)準(zhǔn)配料，Si元素?zé)龘p按3%計(jì)算，預(yù)先設(shè)定熔化溫度為700℃，當(dāng)爐料熔化之后，適當(dāng)攪動(dòng)熔體，使熔池各處溫度、成分均勻一致。采用噴粉精煉工藝［6－7］，將精煉劑和氬氣混合后噴吹到熔體中，精煉劑主要成分為56．5%NaCl+25%NaF+11．5%KCl+7%Na3AlF6，精煉溫度在 720 ～730℃，精煉的主要目的是除氣除渣，精煉完成后扒渣。為了進(jìn)一步提高鋁合金熔體潔凈度，在澆鑄之前還需進(jìn)行在線除氣過(guò)濾，采用30PPI及50PPI泡沫陶瓷過(guò)濾板雙級(jí)過(guò)濾，可以過(guò)濾直徑0．3 mm以下的夾雜。采用連鑄連軋工藝［8－9］制備 4047 鋁合金線桿，規(guī)格為 φ9．5 mm。采用引流管導(dǎo)流和十二點(diǎn)水平澆鑄，使鋁液平穩(wěn)進(jìn)入結(jié)晶腔，澆鑄溫度為690～710℃，水壓為0．3～0．5 MPa，水溫低于35℃，結(jié)晶輪冷卻裝置為可控的內(nèi)冷、外冷、內(nèi)側(cè)冷、外側(cè)冷四面分區(qū)，鑄坯在脫離結(jié)晶輪后溫度可降到480～520℃。合格鑄坯經(jīng)喂料裝置進(jìn)入粗軋機(jī)、精軋機(jī)，將軋制出的鋁合金桿送出收線，其中進(jìn)軋溫度為490～510℃，終軋溫度為300～350℃，乳液溫度為30～35℃。如圖1所示，成品線桿圓度好，表面無(wú)裂紋、飛邊、起皮、分層、劃傷等缺陷，線桿抗拉強(qiáng)度為203 MPa，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

圖1 4047鋁合金連鑄連軋桿表面形貌(φ9．5 mm)

表1 4047鋁合金線桿化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1．2 焊絲制備

將上述經(jīng)連鑄連軋工藝制得的φ9．5 mm 4047鋁合金線桿按照以下工藝流程制備焊絲:φ9．5 mm鋁合金線桿→多道次單模拉拔→退火→多道次單模拉拔→退火→水箱拉絲機(jī)多模連拉→刮削光亮化→清洗吹干→層繞，最終得到φ1．2 mm盤狀焊絲。

焊絲拉拔順暢，制備的φ1．2 mm成品焊絲表面光亮，無(wú)麻點(diǎn)、凹坑、劃傷、毛刺等表面缺陷，焊絲表面形貌如圖2所示。焊絲回彈為550～600 mm，翹距≤5 mm，焊絲抗拉強(qiáng)度為275 MPa。焊絲帶油量?jī)H為0．365 mg/L，較低的帶油量可降低焊接氣孔敏感性，減少焊接煙塵，提高焊接接頭的力學(xué)性能。

圖2 鋁合金焊絲CHM-Al4047表面形貌(φ1．2mm)

2 CHM-Al4047高硅鋁合金焊絲焊接試驗(yàn)

參考 AWS A5．10—2012、ISO 15614—2 2005《鋁及鋁合金焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)φ1．2 mm CHMAl4047鋁合金焊絲進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

2．1 焊接工藝參數(shù)

選用厚度為6 mm的6061－T6鋁合金板材作為母材，試驗(yàn)件與坡口尺寸如圖3所示。焊接方法為半自動(dòng)MIG焊，焊接位置為平焊，焊接電流128～138 A，焊接電壓為 20．6 V，焊接速度為 4．0 ～4．3 mm/s，層間溫度不高于60℃，經(jīng)打底、蓋面兩道完成焊接。

2．2 焊接工藝性能

焊絲焊接過(guò)程送絲順暢，電弧穩(wěn)定，熔池清澈，煙塵少，焊縫成形美觀。

2．3 射線檢測(cè)

去除焊縫墊板，并將焊縫兩個(gè)表面磨光，進(jìn)行X射線檢測(cè)，評(píng)定結(jié)果為Ⅰ級(jí)。

圖3 對(duì)接焊縫試件參數(shù)

2．4 接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

取平滑橫向拉伸試樣3件進(jìn)行接頭拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度分別為 199 MPa，196 MPa，208 MPa，接頭抗拉強(qiáng)度平均值為201 MPa，試樣均斷裂于焊接熱影響區(qū)。根據(jù)ISO 15614—2 2005《鋁及鋁合金焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，接頭系數(shù)T=Rm(w)/Rm(pm)，其中，Rm(w)為接頭抗拉強(qiáng)度，Rm(pm)為相應(yīng)母材標(biāo)準(zhǔn)中所要求的母材抗拉強(qiáng)度最低值。母材6061－T6抗拉強(qiáng)度最低值為290 MPa，經(jīng)計(jì)算接頭系數(shù)為0．69，滿足ISO 15614—2標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定T≥0．6要求。

彎曲試驗(yàn)按照D=5a，α=180°要求進(jìn)行，面彎、背彎試樣各3件，彎曲表面無(wú)裂紋，均合格。

2．5 接頭金相組織分析

圖4a為焊縫微觀組織圖，為典型鑄態(tài)枝晶組織，針狀共晶硅與細(xì)顆粒共晶硅彌散分布于α(Al)基體中，同時(shí)存在少量塊狀初晶硅。圖4b為熔合區(qū)，右側(cè)為焊縫組織，左側(cè)為熱影響區(qū)組織。根據(jù)Al-Mg-Si系三元相圖［10］可知，6061鋁合金處于α(Al)+Mg2Si兩相區(qū)，Mg2Si是主要強(qiáng)化相。母材與熱影響區(qū)組織無(wú)明顯差異，晶粒均比較細(xì)小，基體中彌散分布著大量細(xì)顆粒狀Mg2Si相，還有部分桿狀第二相沿板材軋制方向分布，多為 AlFeSi，AlCrFeSi等雜質(zhì)相［11］。但在熱影響區(qū)中(圖4c)發(fā)現(xiàn)部分Mg2Si相在焊接熱循環(huán)下聚集長(zhǎng)大形成穩(wěn)定的團(tuán)簇狀β相，稱為“過(guò)時(shí)效”。焊接熱循環(huán)引發(fā)的金屬?gòu)?qiáng)化相“過(guò)時(shí)效”是導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降的重要原因［11－12］，熱影響區(qū)軟化導(dǎo)致接頭拉伸試樣斷裂于熱影響區(qū)。

圖4 接頭金相組織

3 結(jié) 論

采用連鑄連軋+機(jī)械刮削光亮化工藝可以制備高品質(zhì)CHM-Al4047鋁合金焊絲，經(jīng)焊接工藝評(píng)定，可以得出以下結(jié)論:

(1)焊絲焊接操作性好，送絲順暢，電弧穩(wěn)定，熔池清澈，煙塵少，焊件射線檢測(cè)為Ⅰ級(jí)。

(2)焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為201 MPa，接頭系數(shù)0．69，試樣斷裂于熱影響區(qū);面彎、背彎性能優(yōu)良。

(3)焊縫組織為針狀共晶硅+細(xì)顆粒共晶硅+α(Al)，熱影響區(qū)Mg2Si相聚集長(zhǎng)大形成穩(wěn)定團(tuán)簇狀β相，導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)軟化，拉伸試樣斷裂于熱影響區(qū)。

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TG422．3

2016－12－24

四川省重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(2015NL034);四川省教育廳一般項(xiàng)目(17ZB0310);自貢市重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013C11)。

徐曉龍，1988年出生，碩士，工程師。主要從事高品質(zhì)鋁合金焊絲及熔體控制與連鑄連軋研究工作，已發(fā)表論文9篇。