齊欣 戴鴻濱

摘 要：為了研究5A06鋁合金變動(dòng)送氣TIG焊焊縫微觀組織與力學(xué)性能，采用（Ar-Ar）變動(dòng)送氣TIG焊和傳統(tǒng)連續(xù)送氣TIG焊接方法對(duì)4mm厚的5A06鋁合金板進(jìn)行表面堆焊，觀察比較傳統(tǒng)送氣和變動(dòng)送氣下焊縫的表面，對(duì)焊縫金相組織進(jìn)行觀察，并且對(duì)1Hz變動(dòng)送氣下的5A06鋁合金對(duì)焊板試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果表明：變動(dòng)送氣對(duì)熔池具有攪拌和沖擊作用，熔深比傳統(tǒng)送氣下的明顯增大了，相比于傳統(tǒng)送氣下的焊縫組織，變動(dòng)送氣下的焊縫組織中析出較多的強(qiáng)化相，而且強(qiáng)化相分布彌散均勻，增加了焊縫的強(qiáng)度，從而提高了焊縫質(zhì)量。相對(duì)于母材，變動(dòng)送氣下的5A06鋁合金對(duì)焊板試樣的塑性下降，為母材抗拉強(qiáng)度的95%，斷裂位置在焊縫處，斷裂形式屬于韌性斷裂。

關(guān)鍵詞：5A06鋁合金;TIG焊接;變動(dòng)送氣;微觀組織;力學(xué)性能

DOI：10.15938/j.jhust.2021.06.016

中圖分類(lèi)號(hào)： TG444

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2021）06-0118-06

Microstructure and Mechanical Properties of 5A06

Aluminum Alloy with Variable Gas TIG Welding

QI Xin， DAI Hong-bin

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040，China）

Abstract：In order to study the microstructure and mechanical properties of 5A06 aluminum alloy with variable gas TIG welding， （Ar-Ar） variable gas TIG welding and traditional continuous gas TIG welding were used to carry out surface surfacing welding on 4mm thick 5A06 aluminum alloy plate. We observe the metallographic structure of the weld on the surface of the weld under air and variable air， and test the tensile strength of the 5A06 aluminum alloy butt-welded plate sample under 1Hz variable air. The results show that： the variable aeration has a stirring and impacting effect on the molten pool， and the penetration depth is significantly greater than that under the traditional aeration. Compared with the weld structure under the traditional aeration， the weld structure under the variable aeration has more precipitation phase， and the distribution of the strengthening phase is evenly dispersed， which increases the strength of the weld， thereby improving the quality of the weld. Compared with the base material， the plasticity of the 5A06 aluminum alloy butt-welded plate sample under variable aeration decreases， which is 95% of the base material′s tensile strength. The fracture location is at the weld， and the fracture form is ductile fracture.

Keywords：5A06 aluminum alloy; TIG welding; variable air supply; microstructure; mechanical properties

0 引 言

鋁合金因具有較高的比剛度和比強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、密度小且塑性好、較好的耐腐蝕性以及力學(xué)性能優(yōu)良且加工性能好，在航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、電工、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。不可熱處理鋁合金廣泛用于海軍領(lǐng)域，其中5xxx系列等級(jí)更受歡迎，其化學(xué)成分中含有鎂（Mg）作為主要合金元素[5-7]。鋁合金的焊接通常采用交流鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG焊），但是電極的電流承載能力受限，限制了電弧功率，TIG焊焊縫熔深淺，焊接速度較慢，生產(chǎn)效率低，保護(hù)氣體較貴，并且焊縫易出現(xiàn)氣孔夾雜等問(wèn)題極大的限制了TIG焊的使用范圍[8-10]，當(dāng)焊接的熱輸入增大時(shí)，雖然焊接效率有所提高，但是會(huì)引起焊縫的組織晶粒粗大，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，從而達(dá)不到焊接要求，這也成為了其發(fā)展道路上需要突破的目標(biāo)。靳鵬飛等[11]研究了不同深冷處理的工藝參數(shù)對(duì)5A06鋁合金TIG焊接頭的影響，結(jié)果表明深冷處理可以提高接頭的布氏硬度，焊接接頭整體硬度均衡性得到較好改善。張紅霞等[12]對(duì)5A06鋁合金TIG焊接接頭失效進(jìn)行分析，他們認(rèn)為5A06鋁合金焊接接頭失效主要原因是接頭殘余應(yīng)力較大、夾雜物析出相、接頭組織的不均勻性。

目前國(guó)際上對(duì)改善TIG焊焊接質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的新方法重點(diǎn)放在焊接材料表面噴涂活性劑上。而關(guān)于焊接保護(hù)氣體的改變多為研究多元混合氣體及氣體比例上[13-14]。許良紅等[15]采用普通電弧焊進(jìn)行鋁合金焊接，研究Ar、He二元混合氣體對(duì)焊縫區(qū)域氣孔數(shù)量以及組織的影響。研究表明二者混合后能夠減少氣孔的數(shù)目及大小尺寸。楊秀青等[16]研究了添加不同比例的He、N2、對(duì)TIG焊的影響機(jī)理。研究表明在焊接過(guò)程中，隨著He的含量增加，焊接平均電壓和平均功率均增大，電弧的亮度呈下降狀態(tài)。變動(dòng)送氣TIG焊焊接方法，即交替地將保護(hù)氣體供應(yīng)到焊接區(qū)域由于氣體的變動(dòng)供給會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)變化的電弧力，變動(dòng)的沖擊力會(huì)對(duì)焊縫熔池產(chǎn)生攪拌和沖擊的作用，促進(jìn)熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)，使熔池內(nèi)的雜質(zhì)和氣泡更容易溢出。已報(bào)道交替保護(hù)氣體工藝產(chǎn)生的益處包括提高焊接速度，同時(shí)保持焊縫幾何形狀，降低焊縫孔隙率和改善機(jī)械性能。由于允許更快的焊接速度，除了由于熱量輸入減少降低了焊接變形之外，還提高了焊接效率[17-19]。由于鋁合金材料的種種特性，如線(xiàn)膨脹系數(shù)大等，焊接過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)氣孔、焊縫成形差等焊接缺陷，焊接后的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)分析測(cè)試手段分析，力學(xué)性能很難符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20]。因此，提升對(duì)鋁合金材料的焊接技術(shù)，增加對(duì)此種材料的深層次研究，是對(duì)增加鋁合金的利用價(jià)值和使用范圍有這重要的影響與意義。

本文采用了Ar-Ar變動(dòng)送氣TIG焊的焊接方法焊接4mm厚5A06鋁合金薄板，對(duì)其焊接接頭進(jìn)行宏觀分析和微觀組織分析，并且對(duì)變動(dòng)送氣頻率為1Hz下的5A06鋁合金對(duì)焊板試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，分析其力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方法及材料

1.1 試驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的焊接保護(hù)氣體為氬氣，為保證其實(shí)驗(yàn)效果，氬氣純度為99.99%，且保護(hù)氣體應(yīng)足量，防止保護(hù)氣體不足而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。焊接母材材料采用5A06防銹鋁合金（LF6），該鋁合金具有較高的強(qiáng)度和腐蝕穩(wěn)定性，在退火和擠壓狀態(tài)下塑性尚可，加工性能良好，其力學(xué)性能和化學(xué)成分分別如表1和表2所示。

在焊接前，預(yù)先將5A06鋁合金板加工成100×50×4mm的規(guī)格，其焊前表面如圖1所示，用無(wú)水乙醇將鋁合金板表面的油污、雜質(zhì)等擦拭掉，再用打磨機(jī)將鋁合金板表面打磨干凈，最后將鋁板

夾在焊接工作臺(tái)上，試樣打磨之后要立即焊接，防止在空氣中時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致表面再次被氧化膜覆蓋，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2 試驗(yàn)方法

圖2是本實(shí)驗(yàn)使用的焊接設(shè)備，型號(hào)為Master TIG MLS 3003ACDC，氣體供氣裝置采用自制的變動(dòng)送氣裝置進(jìn)行送氣，通過(guò)計(jì)算機(jī)精確控制變動(dòng)送氣裝置中的電磁閥，通過(guò)兩個(gè)送氣通路進(jìn)行不同頻率下的Ar-Ar交替送氣。兩個(gè)送氣通路分別為主送氣通路和輔助送氣通路，兩個(gè)送氣通路上分別有單項(xiàng)控制閥，防止兩種氣體因壓力不相同而互流，影響氣體保護(hù)效率，最終將變動(dòng)氣體送至焊槍形成穩(wěn)定電弧，本次研究中的焊接基本工藝參數(shù)如表3所示。

將焊接電源設(shè)置為直流反接，本實(shí)驗(yàn)采用碳棒接觸式引弧以防止高頻引弧對(duì)行走控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。保護(hù)氣的供給方式分別為傳統(tǒng)送氣和變動(dòng)送氣兩種，變動(dòng)送氣頻率分別為1、2、4Hz。其中1Hz即為1s中主氣與輔氣完成一次交替送氣，以此類(lèi)推。采用4種送氣方式分別在5A06鋁合金板上各焊出一道表面堆焊焊縫。

將焊接好的5A06鋁合金板先觀察比較傳統(tǒng)送氣和變動(dòng)送氣下焊縫的表面，并使用線(xiàn)切割技術(shù)分別截取一段焊縫切成10×5×4mm的規(guī)格，并進(jìn)行鑲嵌，將鑲嵌完成的試樣進(jìn)行打磨和拋光，觀察熔深熔寬，然后將拋光好的試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕試劑采用Keller試劑（成分為95%H2O+2.5%HNO3+1.5%HCl+1 %HF ），在金相顯微鏡下對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行觀察和分析。

采用送氣頻率為1Hz的變動(dòng)送氣TIG焊將兩塊5A06鋁合金板進(jìn)行對(duì)焊，通過(guò)萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)及掃描電鏡對(duì)其力學(xué)性能及斷裂機(jī)制進(jìn)行探究，拉伸速度為2mm/min。拉伸試樣具體尺寸如圖3。

按照GB/T 228.1-2010，加工好拉伸試樣，對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，特別是一些容易形成應(yīng)力集中的位置，如焊趾等。對(duì)于同一焊接試板，取3個(gè)拉伸試樣，將拉伸測(cè)試重復(fù)3次以取平均值，避免產(chǎn)生較大的誤差。

2 試樣結(jié)果與分析

2.1 焊縫的宏觀分析

在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，氬氣變動(dòng)送氣的TIG電弧壓力產(chǎn)生明顯的周期性變化，這種電弧壓力的改變將會(huì)以脈沖壓力的形式直接作用到熔池表面，對(duì)焊縫成形產(chǎn)生影響[21]。圖4是實(shí)驗(yàn)獲得的焊縫表面?？梢钥闯?，傳統(tǒng)送氣焊縫的表面非常平整，沒(méi)有任何的魚(yú)鱗紋的特征，而變動(dòng)送氣頻率為1Hz的焊縫出現(xiàn)了明顯的魚(yú)鱗紋，但紋理的間距較大，變動(dòng)送氣頻率為2Hz的焊縫魚(yú)鱗紋也非常明顯，而且間距較小，紋理變得密集，變動(dòng)送氣頻率為4Hz的焊縫紋理更加細(xì)密。由此可知隨著變動(dòng)送氣頻率的增加魚(yú)鱗紋越來(lái)越密越細(xì)，可以看出氬氣變動(dòng)送氣對(duì)焊縫表面成型產(chǎn)生影響。

對(duì)傳統(tǒng)送氣和變動(dòng)送氣實(shí)驗(yàn)板焊縫進(jìn)行了熔深和熔寬的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表4和圖5所示。變動(dòng)送氣下焊縫的熔寬和熔深均比傳統(tǒng)送氣下的大，其中頻率為1Hz的變動(dòng)送氣下焊縫的熔深最大，1Hz和2Hz下焊縫的熔寬相近。所以在相同的焊接條件下，1、2和4Hz的變動(dòng)送氣頻率均可以增大熔深，從而提高了焊接效率。

2.2 焊縫金相顯微組織分析

本研究對(duì)焊縫中心區(qū)和熔合區(qū)進(jìn)行了相應(yīng)的組織觀察。焊縫中心的組織是在焊接熱輸入作用下使母材完全熔化，之后快速冷卻結(jié)晶形成，傳統(tǒng)TIG焊的焊縫組織多為樹(shù)枝晶或胞狀樹(shù)枝晶。圖6為母材及焊縫區(qū)金相組織照片，焊縫處的組織為典型的鑄態(tài)組織。由圖6（a）可以看出母材α相（Al基體）上有強(qiáng)化相β相（Al8Mg5）析出，對(duì)比圖6（b）可看出傳統(tǒng)連續(xù)送氣條件下，β相（Al8Mg5）在α相（Al基體）上呈無(wú)規(guī)則分布。

對(duì)比圖6（c）、6（d）、6（e）可以看出，變動(dòng)送氣條件下焊縫組織特征表現(xiàn)為細(xì)小顆?；蜷L(zhǎng)條形狀β相在α相上均勻彌散分布，其彌散分布形式是由于變動(dòng)送氣導(dǎo)致的焊接電弧力以脈沖壓力的形式直接作用到熔池，引起熔池?cái)噭?dòng)同時(shí)對(duì)β相（Al8Mg5）產(chǎn)生沖擊打碎作用所導(dǎo)致。

熔合區(qū)包含部分熔化的焊縫組織部分未熔化的母材，并形成了參差不齊的界面，導(dǎo)致其微觀行為復(fù)雜。這部分區(qū)域雖然沒(méi)有完全熔化，但其性能和組織也發(fā)生了相應(yīng)變化。圖7為傳統(tǒng)送氣和不同頻率的變動(dòng)送氣下熔合區(qū)金相組織，由圖7（a）、7（b）、7（c）、7（d）可以看出熔合區(qū)組織同樣表現(xiàn)為鑄態(tài)組織，傳統(tǒng)TIG焊焊縫的熔合區(qū)較寬，施加變動(dòng)送氣后熔合區(qū)變窄。圖7（e）可以看出除均勻分布著β相（Al8Mg5）外，還存在灰色Al6Mn相和黑色骨骼狀Mg2Si相。

2.3 焊縫的室溫拉伸分析

通過(guò)對(duì)焊縫熔深熔寬的對(duì)比分析，1Hz變動(dòng)送氣可以達(dá)到最大4mm熔深，針對(duì)4mm厚試板進(jìn)行了對(duì)接焊接實(shí)驗(yàn)。并對(duì)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行拉伸測(cè)試，考察1Hz變動(dòng)送氣條件下焊縫組織對(duì)其力學(xué)性能的影響。

由于焊縫余高的存在會(huì)導(dǎo)致該部位出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，因此應(yīng)將余高用砂紙打磨平整以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在打磨過(guò)程中要控制熱量的產(chǎn)生防止影響焊縫的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)做3組取平均值，斷后宏觀形貌及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和表5所示。

由拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，5A06鋁合金板在送氣頻率為1Hz變動(dòng)送氣TIG條件下，其抗拉強(qiáng)度略微下降，約為母材的95%，伸長(zhǎng)率也有所下降，約為母材的77%。

本次拉伸試驗(yàn)的試件均在焊縫處斷裂，斷裂面與主應(yīng)力方向成45°角，斷口灰暗色，呈韌性斷裂。圖9為1Hz變動(dòng)送氣對(duì)焊板的斷口顯微形貌。從圖9中可以看出，接頭的斷口為典型的微孔聚集型斷裂特征，分布著大小不同的等軸韌窩，且存在撕裂棱。第二相質(zhì)點(diǎn)（Al8Mg5）的尺寸和和分布影響著韌窩的尺寸，較小的韌窩中第二相質(zhì)點(diǎn)（Al8Mg5）也較小。圖中還出現(xiàn)因細(xì)小第二相質(zhì)點(diǎn)（Al8Mg5）剝離后產(chǎn)生的沿晶斷裂韌窩。

3 結(jié) 論

1）變動(dòng)送氣對(duì)焊縫熔池具有沖擊、攪拌作用，使焊縫表面出現(xiàn)魚(yú)鱗紋，且頻率越高魚(yú)鱗紋的間距越小，魚(yú)鱗紋越密集。

2）在相同的焊接參數(shù)下，變動(dòng)送氣焊縫的熔深大于傳統(tǒng)送氣，提高了焊接效率。

3）通過(guò)金相分析，傳統(tǒng)TIG焊焊縫的熔合區(qū)較寬，施加變動(dòng)送氣后熔合區(qū)變窄，提高了焊縫的焊接質(zhì)量。

4）1Hz變動(dòng)送氣對(duì)焊板的斷口主要是韌性斷裂，焊縫的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率略小于母材，分別為母材的95%和77%。

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（編輯：王 萍）

收稿日期： 2020-10-18

基金項(xiàng)目： 黑龍江省自然科學(xué)基金（LH2019E057）.

作者簡(jiǎn)介：

齊 欣（1996—），女，碩士研究生.

通信作者：

戴鴻濱（1971—），男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail：daihongbin@hrdust.edu.cn.

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