吳玲， 趙磊， 于瑞海， 周喆， 宋利剛， 于樹(shù)洪

(1.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004；2.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066000；3.濱州盟威戴卡輪轂有限公司，山東 濱州 256602)

0 前言

鋁合金是傳統(tǒng)的金屬材料，由于其較小的密度和較高的強(qiáng)度，廣泛地應(yīng)用于機(jī)電、汽車(chē)、航空、航天等領(lǐng)域。因此，鋁合金零部件的加工工藝，向著輕量化、精密化及整體化方向轉(zhuǎn)變[1]。

隨著國(guó)家碳中和的要求提出，在汽車(chē)制造工業(yè)中，很多大型結(jié)構(gòu)件由傳統(tǒng)的黑色金屬整體鑄件被鋁合金、分體式焊接構(gòu)件所代替[2]。這是因?yàn)?，焊接零件可以快速地將零散件加工成?fù)雜的結(jié)構(gòu)件，可以大大地節(jié)省復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造成本；其次，盡管在焊縫處會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度軟化、存在缺陷等現(xiàn)象[3]，經(jīng)過(guò)大量的靜態(tài)疲勞試驗(yàn)及理論驗(yàn)證，焊接件的力學(xué)性能，完全可以代替復(fù)雜整體成形結(jié)構(gòu)件。但是，針對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)疲勞性能試驗(yàn)，還有些不足。為了快速獲得針對(duì)A356鑄件與6082型材，穩(wěn)定可靠的MIG焊接制造工藝，同時(shí)滿足焊接件在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)條件下不失效，查閱了大量的焊接工藝文獻(xiàn)作為參考[4]。

文中對(duì)A356鑄件與6082型材進(jìn)行3種不同焊接工藝參數(shù)的焊接試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，獲得材料焊接后的熔深、力學(xué)性能、疲勞壽命等數(shù)據(jù)，從而確定最佳的焊接工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 A356及6082鋁合金

A356鋁合金，其Si元素含量較高，鑄造性能良好，具有較好的強(qiáng)度與機(jī)械加工性能，被廣泛應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域[5]；6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，主要適用于板材高溫沖壓領(lǐng)域。試驗(yàn)中，焊接母材A356鋁合金、6082鋁合金及ER5356焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 A356，6082合金和ER5356焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證焊接工藝的可靠性，要通過(guò)一系列的試驗(yàn)方法來(lái)驗(yàn)證。首先，要先進(jìn)行焊縫的熔深試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)及靜態(tài)疲勞試驗(yàn)；然后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，可以獲得準(zhǔn)確的焊接件的疲勞壽命曲線[6]，建立A356鑄件與6082型材焊接件疲勞壽命曲線數(shù)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接件的疲勞壽命預(yù)測(cè)。

1.2.1試驗(yàn)試樣取樣原則

從圖1可以看出，A356鑄件與6082型材的焊接位置多為變形過(guò)渡區(qū)；所以，從實(shí)際零件上獲取拉伸及疲勞試樣非常困難。因此，除熔深試驗(yàn)的取樣為實(shí)際焊接后，從焊接件上直接取樣外，其余試驗(yàn)試樣均采用A356鑄件和6082型材的板材，采用焊接試驗(yàn)工藝焊接成形，并且保證焊縫位置處于試樣中間部分；并且去除焊縫余高，目的是減少因焊縫處余高的集中應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，造成試驗(yàn)失效件的增多[7]。

圖1 A356鑄件與6082型材焊縫

1.2.2試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)選擇

焊機(jī)型號(hào)TPS4000、焊絲φ1.2 mm,A356及6082板厚均為3 mm,V形坡口，MIG工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 MIG工藝參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，焊接電流是鋁合金MIG焊接中最重要的焊接參數(shù)[8]。MIG焊接時(shí)，焊接電流一般根據(jù)焊件厚度、焊縫位置以及焊絲直徑來(lái)選擇[9]。當(dāng)焊絲直徑確定后，焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)還有焊接電流、焊接速度及脈沖修正。因此，設(shè)計(jì)MIG工藝參數(shù)選擇表，詳見(jiàn)表3。

表3 MIG工藝參數(shù)

1.3 熔深試驗(yàn)

按照表3的工藝參數(shù)，要對(duì)A356鑄件與6082型材進(jìn)行焊縫熔深試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)焊縫熔深，確保焊接工藝參數(shù)對(duì)2種不同母材均能焊透；試驗(yàn)方法是對(duì)焊接后的接頭焊縫，用V8型ZEISS體視金相顯微鏡，觀察焊縫熔深。針對(duì)3種工藝參數(shù)，各取5個(gè)熔深試樣樣品，取樣時(shí)避讓焊縫起弧與收弧位置。試板焊接完成后，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》，拍攝宏觀圖片。

1.4 拉伸試驗(yàn)

進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的目的是，驗(yàn)證焊接后試樣的力學(xué)性能。試驗(yàn)中使用寬度8 mm，厚度3 mm，標(biāo)距30 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，焊縫處做打磨處理，如圖2所示。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，使用Z100材料試驗(yàn)機(jī)在室溫環(huán)境下完成拉伸試驗(yàn)，確定試樣的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度值。

圖2 拉伸、動(dòng)態(tài)疲勞試樣

針對(duì)表3中的3種工藝參數(shù)，每種工藝參數(shù)各加工10個(gè)試樣，拉伸試樣，按照?qǐng)D2進(jìn)行加工。在選擇試驗(yàn)試樣時(shí)，所有試樣均經(jīng)過(guò)加工去除余高，消除焊縫的應(yīng)力集中影響。

1.5 動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)

進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)的目的，是為了建立A356鑄件與6082型材焊縫的疲勞壽命數(shù)學(xué)模型,便于對(duì)焊接件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)；進(jìn)一步，為焊接件的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)疲勞壽命數(shù)據(jù)。試驗(yàn)采用MTS 810試驗(yàn)機(jī)完成，是采用電液伺服閉環(huán)方式控制的靜、動(dòng)態(tài)多用途萬(wàn)能試驗(yàn)系統(tǒng)。MTS 810試驗(yàn)機(jī)可以完成測(cè)試材料靜態(tài)拉伸、壓縮、彎曲性能試驗(yàn)；高、低周疲勞性能試驗(yàn)[10]。

針對(duì)表3中的3種工藝參數(shù)，每種工藝參數(shù)，同樣各加工5個(gè)疲勞試樣，按照?qǐng)D2進(jìn)行加工。使用MTS 810試驗(yàn)機(jī)，完成動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，并且在每個(gè)試樣的兩個(gè)軸向表面，粘貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變采集，應(yīng)變片粘貼在焊縫中間位置，如圖3所示；施加應(yīng)力載荷的波形如圖4所示。應(yīng)變采集儀器，采用日置LR8450數(shù)據(jù)采集儀，可直接連接應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。 采樣頻率最小可以設(shè)置為1 ms，非常適合測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件上的應(yīng)力、應(yīng)變和負(fù)載，并且可自由增加多個(gè)測(cè)量單元。

圖3 應(yīng)力采集試樣

圖4 應(yīng)力載荷

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔深試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26955—2011，焊縫一般要經(jīng)過(guò)宏觀和微觀檢驗(yàn)，宏觀檢驗(yàn)可用于評(píng)定組織與裂紋和孔穴的關(guān)系。

根據(jù)1.2.2所述，對(duì)3種工藝參數(shù)焊接后的焊縫，進(jìn)行焊縫熔深試驗(yàn)，如圖5所示。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，3種試驗(yàn)工藝參數(shù)獲得的焊縫熔深，均未出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26955—2011中所列的宏觀缺陷。通過(guò)圖5可見(jiàn)，即便是最小的焊接電流，也可以將兩種母材焊透，并且在焊縫處，焊絲完全填滿了母材坡口，母材與焊絲、焊絲與母材焊縫處的過(guò)度結(jié)合完美，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋及孔穴等焊接缺陷。另外，隨著焊接電流的增加，熔深有增加的趨勢(shì)；由此，可以說(shuō)明焊接電流的大小會(huì)影響焊縫的熔深[11]，引申到焊接工件時(shí)，對(duì)于異形過(guò)渡區(qū)，母材不均勻處，可以適當(dāng)增加焊接電流，以保證異型母材之間可以焊透，減少焊縫處的焊接缺陷。

圖5 3種工藝下的焊縫熔深

通過(guò)熔深宏觀組織圖，可以說(shuō)明，A356鑄件與6082型材焊縫，經(jīng)過(guò)3個(gè)工藝焊接后，均未出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26955—2011中所列的宏觀缺陷；隨著焊接電流的增加，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)的熔深呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，圖6為焊接電流與熔深的關(guān)系曲線。

2.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

拉伸試驗(yàn)采用Z100試驗(yàn)機(jī)，在室溫條件下進(jìn)行，按照1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)各取試驗(yàn)試樣10個(gè)； 1號(hào)試樣編號(hào)為L(zhǎng)1,L2,……,L10；2號(hào)試樣編號(hào)為L(zhǎng)11,L12,……,L20；3號(hào)試樣編號(hào)為L(zhǎng)21,L22,……,L30，拉伸試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表4。

圖6 焊接電流與熔深關(guān)系

從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以得出，隨著MIG電流從140 A向著160 A增加，A356鑄件與6082型材的力學(xué)性能有提升的趨勢(shì)；因?yàn)閷?duì)焊縫進(jìn)行了去除余高處理，消除了焊縫處集中應(yīng)力，所以焊縫處斷裂現(xiàn)象沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)，從拉伸斷裂位置來(lái)分析，均處于焊縫與母材交匯的邊緣，并且靠近焊縫中心位置，而且都在標(biāo)距范圍內(nèi)，如圖7所示。另外，從表4可以得出，焊接試驗(yàn)試樣的力學(xué)性能與兩種母材的力學(xué)性能相比呈現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)(A356鑄件屈服強(qiáng)度為238 MPa， 抗拉強(qiáng)度為303 MPa；6082型材屈服強(qiáng)度為302 MPa， 抗拉強(qiáng)度為340 MPa)，強(qiáng)度軟化現(xiàn)象比較明顯[12]。因此，有必要對(duì)A356鑄件與6082型材焊接試驗(yàn)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，確定焊接試樣的疲勞壽命。

針對(duì)3種工藝做拉伸斷口觀察，如圖8所示。用V8型ZEISS體視金相顯微鏡，對(duì)焊縫拉伸斷口進(jìn)行金相分析。從圖8a可以看出斷口處有大量的亮點(diǎn)存在，而且形貌為圓形，通過(guò)辨識(shí)可知，1號(hào)的拉伸斷口存在大量的氣孔，彌散于整個(gè)斷口表面；從圖8b可以看見(jiàn)氣孔多處于試樣的內(nèi)壁邊緣處，沒(méi)有析出的狀態(tài)，斷口中心部位氣孔較少；從圖8c可以看見(jiàn)少量的氣孔，而且集中位于內(nèi)壁處，斷口中心部位的氣孔很少。

通常情況下，鋁合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔缺陷，氣孔缺陷主要是氫氣氣孔。主要是因?yàn)楹附与娀?huì)分解焊縫周?chē)h(huán)境中及鋁合金表面的殘余物，從而分解出大量不溶于鋁的氫氣，焊縫冷卻速度快，鋁合金熔化結(jié)晶過(guò)程中的氫氣會(huì)保留在焊縫中，進(jìn)而形成氣孔[13]。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)拉伸斷口的比對(duì)，可以得出結(jié)論，當(dāng)焊接電流小，氣孔較多；當(dāng)焊接電流增大后，氣孔數(shù)量變少，這是因?yàn)榇箅娏鬏斎牒缚p的焊接熱量多，延長(zhǎng)了液態(tài)鋁的冷卻時(shí)間，為氫氣析出創(chuàng)造了有利條件。

圖7 拉伸斷裂試樣

2.3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證A356鑄件與6082型材焊接后的疲勞壽命，試驗(yàn)中，采用常幅應(yīng)力譜的加載方式，將載荷大小變成相應(yīng)的應(yīng)力大?。挥蓤D4可知，應(yīng)力比r=-1,即采用對(duì)稱循環(huán)疲勞載荷加載[14]。

根據(jù)拉伸試樣的結(jié)果，確定動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力水平R，分別是140 MPa，130 MPa，120 MPa，115 MPa，110 MPa，100 MPa，每個(gè)工藝各取5個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

1號(hào)試樣編號(hào)為D1，D2，……，D5； 2號(hào)試樣編號(hào)為D6，D7，……，D10；3號(hào)試樣編號(hào)為D11，D12，……，D15。

按照焊接結(jié)構(gòu)件的固有頻率，選取加載頻率f，為20 Hz，應(yīng)力比r=-1，試樣承受對(duì)稱循環(huán)疲勞載荷，試驗(yàn)加載波形見(jiàn)圖4，試驗(yàn)在室溫環(huán)境下下進(jìn)行；試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)表5，可以計(jì)算出3個(gè)焊接工藝，試樣經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)疲勞壽命試驗(yàn)后得到的數(shù)學(xué)模型[15]，而且1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)的數(shù)學(xué)模型基本一致，見(jiàn)式(1)：

lgR=-0.003 6lgN+8.185

(1)

式中：R為應(yīng)力載荷，MPa；N為循環(huán)次數(shù)，次。

從表5及圖9，可以得出，隨著加載應(yīng)力載荷梯度下降，試驗(yàn)試樣的循環(huán)次數(shù)顯著增加，而且3個(gè)工藝的應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線趨勢(shì)基本相同；同時(shí)，可以得出，3號(hào)的試驗(yàn)試樣在低應(yīng)力載荷下，其循環(huán)次數(shù)要明顯優(yōu)于1號(hào)和2號(hào)的試驗(yàn)試樣。焊接后，低應(yīng)力載荷情況下，大電流焊接件的疲勞壽命會(huì)比小電流的焊接件的疲勞壽命有一定的提升，但是在高應(yīng)力載荷下，焊接電流的大小對(duì)焊接件的疲勞壽命影響有限，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，鋁合金焊接會(huì)使得焊接件的強(qiáng)度軟化，整體力學(xué)性能下降。

由此，可以得出結(jié)論，在力學(xué)性能允許的前提下，針對(duì)A356鑄件與6082型材焊接，在焊接工藝上，可以適當(dāng)采取大電流的工藝參數(shù)。根據(jù)動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，可以得出，3個(gè)焊接工藝，試驗(yàn)試樣的疲勞壽命數(shù)學(xué)模型，從而為焊接件的研發(fā)、設(shè)計(jì)及日后運(yùn)行提供了可靠地試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

(1)A356鑄件與6082型材焊接，焊接電流在140～160 A范圍內(nèi)，通過(guò)金相顯微鏡進(jìn)行熔深宏觀的觀察，均可以得到符合標(biāo)準(zhǔn)要求的熔深；而且隨著電流增加，焊縫熔深的有增加的趨勢(shì)。

(2)A356鑄件與6082型材焊接，拉伸試驗(yàn)中，焊接試樣的力學(xué)性能隨著焊接電流的增加呈現(xiàn)出力學(xué)性能提升的趨勢(shì)；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，而且焊接樣件的力學(xué)性能與母材相比有顯著的降低；但是，適當(dāng)?shù)拇箅娏鲿?huì)提高焊接件的力學(xué)性能；觀察拉伸斷口，焊接電流越大，斷口處的氣孔越少。

(3)A356鑄件與6082型材焊接，通過(guò)動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，隨著加載應(yīng)力載荷梯度下降，試驗(yàn)試樣的疲勞壽命顯著增加；而且3個(gè)焊接工藝的應(yīng)力-疲勞壽命曲線基本相同，得到疲勞壽命曲線數(shù)學(xué)模型基本相同，驗(yàn)證了鋁合金焊接件在力學(xué)性能方面弱化現(xiàn)象十分明顯。

(4)對(duì)焊接件在研發(fā)設(shè)計(jì)階段，要驗(yàn)證焊接件的力學(xué)性能，降低焊接件疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)；在力學(xué)性能允許的前提下，針對(duì)A356鑄件與6082型材焊接，在壁厚3～5 mm范圍內(nèi)，最佳工藝參數(shù)，焊接電流160 A，焊接速度0.15 m/s，脈沖強(qiáng)度修正使用1%。