張 杰,劉 勃,陸欣紅,趙錫龍,何 峰
(1.甘肅省特種設(shè)備安全技術(shù)檢查中心,甘肅 蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;3.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 嘉峪關(guān)工務(wù)段, 甘肅 嘉峪關(guān) 735100)
A7N01鋁合金屬于Al-Zn-Mg系鋁合金,具有較高的比強(qiáng)度和良好的耐蝕性,廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通和醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-4]。隨著高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展,歐洲和日本均大量采用該材料來(lái)充當(dāng)高速列車的骨架型材。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)7×××系鋁合金的焊接性能進(jìn)行了大量研究。汪認(rèn)等人[5]研究了A7N01鋁合金薄板激光-MIG復(fù)合焊接工藝,隨著焊接速度不斷增加,焊縫表面易出現(xiàn)咬邊缺陷,其焊縫內(nèi)部易出現(xiàn)氣孔,導(dǎo)致其接頭力學(xué)性能明顯降低。當(dāng)鋁合金薄板與熱源之間的距離保持在1 mm~4 mm時(shí),可獲得最佳的焊縫成形和良好的接頭力學(xué)性能。倪維源等人[6]研究了A7N01鋁合金MIG焊接接頭的組織與力學(xué)性能,熱影響區(qū)存在粗大的化合物Al8Fe2Si,由于該化合物的存在導(dǎo)致其接頭疲勞裂紋易于在熱影響區(qū)萌生。孟立春等人[7]采用攪拌摩擦焊接方法對(duì)5.5 mm厚7N01鋁合金進(jìn)行焊接試驗(yàn),在確定最佳焊接工藝的基礎(chǔ)之上,發(fā)現(xiàn)焊接接頭抗拉強(qiáng)度約為母材抗拉強(qiáng)度的80%。然而,對(duì)于A7N01鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭組織與力學(xué)性能研究相對(duì)較少。本試驗(yàn)在確定最佳焊接工藝的基礎(chǔ)之上,對(duì)A7N01鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭的組織與力學(xué)性能進(jìn)行研究。
試驗(yàn)選用4 mm厚的A7N01鋁合金薄板,其化學(xué)成分如表1所示。利用激光-電弧復(fù)合焊接方法進(jìn)行焊接試驗(yàn),如圖1所示,焊接過(guò)程中激光在前,MIG焊在后,激光波長(zhǎng)為1.06 μm,光斑直徑為0.4 mm,最大輸出功率為4 kW,弧焊設(shè)備為福尼斯TPS4000,填充金屬為ER5356焊絲,直徑1.2 mm。焊前對(duì)鋁合金薄板表面進(jìn)行打磨,去除待焊薄板表面的氧化膜和油污,焊接工藝參數(shù)如表2所示。對(duì)焊接接頭進(jìn)行電解拋光,拋光劑為10%高氯酸+90%酒精,腐蝕電壓為10 V,電流為0.5 A,拋光時(shí)間為8 min。采用Koll試劑對(duì)其接頭進(jìn)行腐蝕,觀察接頭宏觀形貌和微觀組織。采用FM-700型維氏顯微硬度計(jì)對(duì)接頭進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn),壓頭載荷為1 000 N,保載時(shí)間15 s,點(diǎn)距0.05 mm。采用Ag-IS 10 kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行平板拉伸試驗(yàn),對(duì)焊縫余高進(jìn)行打磨,拉伸試樣如圖2所示。
圖1 激光-電弧復(fù)合焊接原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser-arc hybrid welded joint
表1 A7N01鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of A7N01 aluminium alloy(wt/%)
表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameter of A7N01 aluminum alloy laser-arc hybrid welded joint
圖2 拉伸試樣Fig.2 Tensile specimens
利用商業(yè)有限元軟件模擬焊接接頭的宏觀拉伸試驗(yàn),如圖3所示,該模型被離散為6056個(gè)網(wǎng)格單元,其單元類型為C3D8R,共有7 940個(gè)節(jié)點(diǎn)。利用GTN損傷模型來(lái)描述A7N01鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭的損傷演化。GTN模型由gurson[8]首先提出,后來(lái)Tvergarden和Needleman[9]對(duì)Gurson模型進(jìn)行了再計(jì)算和補(bǔ)充修正,引入了三個(gè)參數(shù)q1、q2、q3得到了GTN損傷模型GTN模型的屈服函數(shù):
(1)
式中:
x—孔洞體積分?jǐn)?shù);
f*—為損傷變量,是孔洞體積分?jǐn)?shù)x的函數(shù);
σm—靜水壓力;
σeq—宏觀等效應(yīng)力;
σy—屈服應(yīng)力;
q1、q2、q3—校準(zhǔn)參數(shù)。
圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model of tensile test
A7N01鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭的宏觀形貌,如圖4所示。從圖4可以看出,焊縫正面和焊縫背面成形良好。從焊縫橫截面形貌可以看出,整個(gè)焊縫呈現(xiàn)“杯錐狀”,焊縫上表面熔寬較單純激光焊縫上表面熔寬處寬,可以有效防止單純激光焊縫的咬邊現(xiàn)象。焊縫熔深明顯深于單純電弧焊縫熔深,可以有效防止焊縫背面成型不良的問(wèn)題。
圖4 焊接對(duì)接接頭宏觀形貌Fig.4 Macro morphologies of welded joint
焊接接頭各微區(qū)顯微組織如圖5所示。從圖5a圖中可以看出,熱影響區(qū)是由細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)組成,主要是由于焊接過(guò)程中熱傳導(dǎo)不均勻所導(dǎo)致。從圖5b可以看出,焊接接頭的焊縫區(qū)域的組織較為粗大,焊縫宏觀形貌呈現(xiàn)“杯錐狀”分布。
圖5 熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域微觀組織形貌Fig.5 Microstructure of each area in welded joint and heat affected zone
焊接接頭各個(gè)微區(qū)的顯微硬度分布如圖6所示,焊縫區(qū)域的顯微硬度值為107 HV0.5~138 HV0.5,要略低于熱影響區(qū)和母材區(qū)域的顯微硬度值(126 HV0.5~138 HV0.5)。試驗(yàn)所用填充焊絲為ER5356,其w(Mg)接近5%,可以有效防止由于熔池溫度較高而導(dǎo)致的Mg元素的燒損,并抑制熱影響區(qū)粗大的化合物Al8Fe2Si的形成。而焊縫硬度低于母材的,整個(gè)焊縫力學(xué)性能分布呈現(xiàn)硬夾軟分布。由于復(fù)合焊縫呈現(xiàn)“杯錐狀”分布,總體上焊縫區(qū)域面積較小。
圖6 對(duì)接接頭顯微硬度分布圖Fig.6 Hardness of each area in whole welded joint
從平板拉伸試驗(yàn)宏觀斷口形貌(如圖7)可以看出,拉伸試樣(除焊縫區(qū)存在明顯氣孔的之外)都斷在熱影響區(qū)靠近母材處。因此,激光-電弧復(fù)合焊接方法在較高焊接速度時(shí),可以有效提高焊接接頭的力學(xué)性能。通過(guò)拉伸試驗(yàn)的有限元模擬結(jié)果(如圖8)可以看出,隨著載荷的不斷增加,母材靠近熱影響區(qū)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中。這主要是由于焊縫區(qū)的力學(xué)性能相對(duì)于母材和熱影響區(qū)的低,但焊縫尺寸相對(duì)較小。當(dāng)載荷的不斷增加時(shí),首先發(fā)生塑性變形的區(qū)域主要出現(xiàn)在焊縫區(qū)。隨著載荷繼續(xù)增加,焊縫區(qū)由于拉伸變形而產(chǎn)生加工硬化,因此導(dǎo)致焊接接頭中塑性相對(duì)較低的熱影響區(qū)附近出現(xiàn)一定變形,最終在該區(qū)域出現(xiàn)了失效斷裂。此時(shí),該區(qū)域的Mises峰值應(yīng)力達(dá)到了387 N/mm2,其等效塑性應(yīng)變?yōu)?.48。從孔洞體積分?jǐn)?shù)演化云圖(圖8e)也可以看出,隨著載荷的增加,拉伸試樣的孔洞體積分?jǐn)?shù)不斷增加。該孔洞體積分?jǐn)?shù)主要由孔洞長(zhǎng)大體積分?jǐn)?shù)和孔洞形核體積分?jǐn)?shù)組成,孔洞體積分?jǐn)?shù)峰值達(dá)到1.7%,最終試樣出現(xiàn)失效斷裂。
圖7 拉伸試樣宏觀斷口形貌Fig.7 Macroscopic fracture morphology of tensile test
圖8 終了迭代步有限元計(jì)算結(jié)果Fig.8 The finite element calculation results of the final iteration step
本試驗(yàn)研究了A7N01鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭的微觀組織及顯微硬度的變化規(guī)律,通過(guò)對(duì)接頭進(jìn)行金相試驗(yàn),顯微硬度試驗(yàn)和宏觀拉伸觀察。同時(shí),結(jié)合有限元模擬深入分析焊接接頭的宏觀拉伸條件下的應(yīng)力演變,得出如下結(jié)論:
1)A7N01鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭焊縫正面和背面成形良好,焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的組織較為粗大,焊縫宏觀形貌成杯錐狀分布,部分焊縫區(qū)存在少量氣孔。焊縫區(qū)的顯微硬度值略低于其母材區(qū)和熱影響區(qū)的。
2)除焊縫區(qū)存在氣孔的試樣之外,接頭宏觀拉伸試樣都斷裂在熱影響區(qū)靠近母材處。在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,通過(guò)有限元模擬焊接接頭的拉伸試驗(yàn),其最大Mises應(yīng)力值達(dá)到387 N/mm2,此時(shí)所對(duì)應(yīng)孔洞體積分?jǐn)?shù)為1.7%。