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        鋁合金高純氬MIG焊接應(yīng)用研究

        2020-05-15 03:27:28李曙光林正帥張澤勇張志平孫鵬
        金屬加工(熱加工) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:高純試板母材

        李曙光,林正帥,張澤勇,張志平,孫鵬

        1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

        2.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

        1 序言

        6061-T6鋁合金材料具有良好的綜合性能,如重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好等,被廣泛地應(yīng)用于制造塔式建筑、船舶、電車、鐵道車輛等行業(yè)。目前,針對這種鋁合金材料的焊接,普遍采用以Ar-He混合氣體作為保護氣體的MIG焊接工藝,熔化能力強,抗氣孔效果好,但是隨著He含量的增加,電弧的穩(wěn)定性越來越差,成本越來越高。首先,He的密度僅僅只有Ar的十分之一,要達到相同的保護效果,He的流量應(yīng)是Ar的3~4倍,這就大大增加了焊接成本,其次,采用純He作為保護氣體,電弧不穩(wěn)定,容易產(chǎn)生飛濺,焊縫表面較粗糙[1]。

        Ar是惰性氣體,既不與金屬起反應(yīng),也不溶于液態(tài)金屬,同時能量損耗低,電弧燃燒穩(wěn)定。在MIG焊接中無飛濺或飛濺很小。由于其密度比空氣大,所以保護效果非常好。在生產(chǎn)中,鋁合金焊接時,氬氣的純度應(yīng)>99.9%,其中夾雜的氧和氫總的體積分?jǐn)?shù)<0.005%,氮總的體積分?jǐn)?shù)小于0.015%,控制在0.02mg/L以下。否則就會造成合金元素?zé)龘p,焊縫出現(xiàn)氣孔,表面無光澤、夾渣或發(fā)黑、成形不良等現(xiàn)象。此外,還會影響電弧的穩(wěn)定性,導(dǎo)電嘴回繞頻率加大,使焊絲與母材熔合不好。焊接鋁合金薄板時,主要使用純氬氣作為保護氣體,這主要是因為純氬氣保護時,熱輸入量較小并且熔深淺。

        為了降低生產(chǎn)成本,提高企業(yè)經(jīng)濟效益,本文采用高純氬作為保護氣體,對3~20mm不同厚度的6061-T6鋁合金分別進行了MIG焊接,分別對其全熔透對接接縫、全熔透T形接縫、角焊縫等不同接頭類型以及平焊、立焊和仰焊等不同焊接位置下試件的接頭組織與性能進行了詳細(xì)的研究。

        2 焊接工藝試驗

        (1)焊接材料 試驗中采用的試板材料為6061-T6鋁合金,其化學(xué)成分見表1。試板尺寸為150mm×300mm,厚度分別為3~20mm,焊絲選用ER5356,φ1.2mm。焊接電流類別為DCEP/+。

        表1 6061-T6鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        (2)焊前準(zhǔn)備 先打磨試板邊緣30~40mm的范圍,清除試板表層的氧化膜,然后用丙酮清洗去除油污等,否則焊縫中很容易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。干燥試板后采用99.999% Ar作為保護氣體,對處理過的鋁合金試板分別在平焊、立焊和仰焊等不同焊接位置進行MIG焊接,獲得全熔透對接焊縫、全熔透T形焊縫、角焊縫等。

        (3)焊接工藝 焊接試板焊前開50°~60°的坡口,采用高純氬MIG焊接對鋁合金試板進行焊接,對4mm以上試板一次性不能焊滿的試件,可以采用多層多道焊,層間溫度控制在80~100℃;對于8mm以上試板,焊前需進行預(yù)熱,預(yù)熱溫度70~90℃;12mm及以上試板可以選用φ1.6mm的焊絲,同時適當(dāng)增加電流和電壓,增加焊接效率。

        (4)焊縫檢測 焊接完成后對試板的整條焊縫進行檢查及探傷。焊縫外觀檢測標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 17637。對于焊縫表面成形較好的對接焊縫進行X射線檢測其內(nèi)部質(zhì)量,射線標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 17636。滲透試驗標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 3542。而后切割試板,對其進行金相分析、拉伸、彎曲試驗。根據(jù)ISO 4136標(biāo)準(zhǔn)進行拉伸試驗,按照ISO 5173《金屬材料焊縫破壞性試驗——彎曲試驗》進行彎曲試驗。

        3 試驗結(jié)果分析

        (1)焊縫質(zhì)量分析 圖1分別為板對接焊縫、全熔透T形焊縫、角焊縫的宏觀形貌,可以看到采用合適工藝焊接的試板,未見咬邊、焊瘤、燒穿、弧坑等表面缺陷。其焊縫宏觀表面熔合良好,焊縫平整、熔寬均勻、余高小,母材和熱影響區(qū)均未見異常。

        圖1 不同接頭類型焊縫的宏觀形貌

        所有試板的全部焊縫均經(jīng)過滲透檢測,結(jié)果顯示未見需返修的缺陷,達到合格要求。部分試板經(jīng)X射線檢測,基本上沒有裂紋及氣孔缺陷,達到ISO 10042標(biāo)準(zhǔn)中B級要求,符合合格標(biāo)準(zhǔn)。

        由以上檢測試驗可以看出,采取平焊位和立焊位較橫焊位和仰焊位,氣孔數(shù)量更少。其主要原因是保護氣體中的含水量下降,使整個弧柱中含氫量相對降低,熔滴在過渡時溶解的氫量減少。在平焊位和立焊位時,保護氣體能形成良好的保護罩,外界空氣不易進入,而且熔池中的氫能在結(jié)晶前及時逸出,所以氣孔明顯減少。但在橫焊位和仰焊位時,由于焊接操作難度增大,保護條件產(chǎn)生變化,而氫在逸出時受到熔池結(jié)晶環(huán)境的影響,來不及逸出從而形成氣孔[2]。

        (2)顯微組織分析 對試板的焊縫及附近組織進行了金相觀察,其組織形態(tài)如圖2所示,焊縫熔合良好、接頭組織致密、晶粒細(xì)小、沒有微裂紋、熱影響區(qū)無異常。由于晶界對位錯運動的阻塞作用,晶粒細(xì)化可以有效地提高材料的滑移形變抗力,抑制循環(huán)滑移帶的形成和開裂,增加裂紋擴展的晶界。從疲勞裂紋沿晶界開裂的位錯塞積機制可知,細(xì)化晶??梢杂行岣卟牧系钠趶姸萚3]。由圖2可以發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)中黑色小質(zhì)點均勻分布于母材之上,相對于母材,焊后晶粒細(xì)化,疲勞強度提高。

        圖2 不同焊接位置的微觀形貌

        (3)力學(xué)性能分析 對鋁合金試樣焊接接頭進行拉伸力學(xué)性能測試和彎曲試驗。由于試樣板厚不同,所選取的焊接電流也略有變化,一般隨板厚增加也相應(yīng)增大焊接電流。不過不同焊接電流的條件下獲取的焊接接頭的拉伸強度變化不大,未呈現(xiàn)隨焊接電流的增大導(dǎo)致焊接強度極限降低的趨勢。對焊接接頭進行的彎曲試驗,試樣的背彎和面彎都在180°,無開裂現(xiàn)象。

        拉伸力學(xué)性能測試的結(jié)果顯示,所有試驗試板抗拉強度均>200MPa,斷口位置處于熱影響區(qū),焊縫未見破壞。如圖3所示熱影響區(qū)及焊縫的金相照片,可以發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)比熱影響區(qū)更加致密。鋁合金在焊接過程中熱影響區(qū)強度出現(xiàn)了弱化,相比于母材和焊縫要低些,最終的斷裂位置在熱影響區(qū)。因為試樣在拉伸的過程中,由于熱影響區(qū)的強度比較低,在此處發(fā)生應(yīng)力集中,原有孔洞在外力的作用下不斷長大,新的孔洞繼續(xù)形成,當(dāng)孔洞相互連接時,形成裂紋,試樣的承載能力下降,發(fā)生斷裂。所有試板彎曲試驗均符合ISO 5173標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上所述,使用高純氬作為MIG焊接的保護氣體,其力學(xué)性能良好,滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

        圖3 不同區(qū)域的微觀形貌

        4 結(jié)束語

        1)使用高純氬MIG焊接,焊縫宏觀表面熔合良好,焊縫平整。焊縫中未見裂紋、夾雜、未熔合等缺陷。經(jīng)X射線檢測,達到ISO 10042標(biāo)準(zhǔn)中B級要求,符合合格標(biāo)準(zhǔn)。

        2)對焊接接頭拉伸力學(xué)性能測試和彎曲試驗,其結(jié)果顯示:所有試件抗拉強度均>200MPa,斷口位置處于熱影響區(qū),焊縫未見破壞;彎曲試驗均符合ISO 5173標(biāo)準(zhǔn)要求。

        3)在采取合適的焊接參數(shù)條件下,使用高純氬作為MIG焊接6061-T6鋁合金的保護氣體是可行的,焊縫及熱影響區(qū)等組織與性能滿足規(guī)定要求。

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