李曙光,林正帥,張澤勇,張志平,孫鵬
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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(duì)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(hù)氣體的MIG焊接工藝,熔化能力強(qiáng),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(lái)越差,成本越來(lái)越高。首先,He的密度僅僅只有Ar的十分之一,要達(dá)到相同的保護(hù)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(hù)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(shí)能量損耗低,電弧燃燒穩(wěn)定。在MIG焊接中無(wú)飛濺或飛濺很小。由于其密度比空氣大,所以保護(hù)效果非常好。在生產(chǎn)中,鋁合金焊接時(shí),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(huì)造成合金元素?zé)龘p,焊縫出現(xiàn)氣孔,表面無(wú)光澤、夾渣或發(fā)黑、成形不良等現(xiàn)象。此外,還會(huì)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(shí),主要使用純氬氣作為保護(hù)氣體,這主要是因?yàn)榧儦鍤獗Wo(hù)時(shí),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(jì)效益,本文采用高純氬作為保護(hù)氣體,對(duì)3~20mm不同厚度的6061-T6鋁合金分別進(jìn)行了MIG焊接,分別對(duì)其全熔透對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)的研究。
(1)焊接材料 試驗(yàn)中采用的試板材料為6061-T6鋁合金,其化學(xué)成分見(jiàn)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(hù)氣體,對(duì)處理過(guò)的鋁合金試板分別在平焊、立焊和仰焊等不同焊接位置進(jìn)行MIG焊接,獲得全熔透對(duì)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(kāi)50°~60°的坡口,采用高純氬MIG焊接對(duì)鋁合金試板進(jìn)行焊接,對(duì)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(duì)于8mm以上試板,焊前需進(jìn)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(shí)適當(dāng)增加電流和電壓,增加焊接效率。
(4)焊縫檢測(cè) 焊接完成后對(duì)試板的整條焊縫進(jìn)行檢查及探傷。焊縫外觀檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 17637。對(duì)于焊縫表面成形較好的對(duì)接焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)其內(nèi)部質(zhì)量,射線標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 17636。滲透試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 3542。而后切割試板,對(duì)其進(jìn)行金相分析、拉伸、彎曲試驗(yàn)。根據(jù)ISO 4136標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),按照ISO 5173《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)——彎曲試驗(yàn)》進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。
(1)焊縫質(zhì)量分析 圖1分別為板對(duì)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)滲透檢測(cè),結(jié)果顯示未見(jiàn)需返修的缺陷,達(dá)到合格要求。部分試板經(jīng)X射線檢測(cè),基本上沒(méi)有裂紋及氣孔缺陷,達(dá)到ISO 10042標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)要求,符合合格標(biāo)準(zhǔn)。
由以上檢測(cè)試驗(yàn)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(hù)氣體中的含水量下降,使整個(gè)弧柱中含氫量相對(duì)降低,熔滴在過(guò)渡時(shí)溶解的氫量減少。在平焊位和立焊位時(shí),保護(hù)氣體能形成良好的保護(hù)罩,外界空氣不易進(jìn)入,而且熔池中的氫能在結(jié)晶前及時(shí)逸出,所以氣孔明顯減少。但在橫焊位和仰焊位時(shí),由于焊接操作難度增大,保護(hù)條件產(chǎn)生變化,而氫在逸出時(shí)受到熔池結(jié)晶環(huán)境的影響,來(lái)不及逸出從而形成氣孔[2]。
(2)顯微組織分析 對(duì)試板的焊縫及附近組織進(jìn)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(méi)有微裂紋、熱影響區(qū)無(wú)異常。由于晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(kāi)裂,增加裂紋擴(kuò)展的晶界。從疲勞裂紋沿晶界開(kāi)裂的位錯(cuò)塞積機(jī)制可知,細(xì)化晶??梢杂行岣卟牧系钠趶?qiáng)度[3]。由圖2可以發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)中黑色小質(zhì)點(diǎn)均勻分布于母材之上,相對(duì)于母材,焊后晶粒細(xì)化,疲勞強(qiáng)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(duì)鋁合金試樣焊接接頭進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試和彎曲試驗(yàn)。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(guò)不同焊接電流的條件下獲取的焊接接頭的拉伸強(qiáng)度變化不大,未呈現(xiàn)隨焊接電流的增大導(dǎo)致焊接強(qiáng)度極限降低的趨勢(shì)。對(duì)焊接接頭進(jìn)行的彎曲試驗(yàn),試樣的背彎和面彎都在180°,無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象。
拉伸力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果顯示,所有試驗(yàn)試板抗拉強(qiáng)度均>200MPa,斷口位置處于熱影響區(qū),焊縫未見(jiàn)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(guò)程中熱影響區(qū)強(qiáng)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?yàn)樵嚇釉诶斓倪^(guò)程中,由于熱影響區(qū)的強(qiáng)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(zhǎng)大,新的孔洞繼續(xù)形成,當(dāng)孔洞相互連接時(shí),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(yàn)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(hù)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
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(jiàn)裂紋、夾雜、未熔合等缺陷。經(jīng)X射線檢測(cè),達(dá)到ISO 10042標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)要求,符合合格標(biāo)準(zhǔn)。
2)對(duì)焊接接頭拉伸力學(xué)性能測(cè)試和彎曲試驗(yàn),其結(jié)果顯示:所有試件抗拉強(qiáng)度均>200MPa,斷口位置處于熱影響區(qū),焊縫未見(jiàn)破壞;彎曲試驗(yàn)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(hù)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。