陳亞斌 王 韜 代許曉 伊霄云 孫 彬
(1.青島泰泓軌道裝備有限公司,山東 青島 266111;2.青島宏達(dá)青田交通設(shè)備有限公司,山東 青島 266111;3.青島鑫匯通軌道交通設(shè)備有限公司,山東 青島 266111)
隨著輕量化需求的與日俱增,鋁合金因質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成形性好以及低溫性能好的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中[1]。鋁合金的MIG焊縫由于受到不均勻的熱輸入的影響,原有失效強(qiáng)化效應(yīng)被明顯減弱。此外,熱影響區(qū)軟化效應(yīng)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度明顯下降。鋁合金激光焊憑借其經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)、生產(chǎn)效率高、焊接變形量小和空間適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在醫(yī)療裝備、軌道車輛、工程車輛、建筑裝飾等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用,受到全世界越來越多的關(guān)注。
試驗(yàn)材料選用2mm厚的6005A-T6板材,尺寸規(guī)格為350mm×150mm×2mm,數(shù)量為4組,每組3副試板。材料力學(xué)性能見表1,材料化學(xué)成分見表2。試板激光下料前,四周預(yù)留25mm的加工余量,待下料完成后再用機(jī)床銑掉,隨后用無水酒精擦拭加工面周圍的油污。試板施焊前須清理一遍,先用機(jī)械清理的方式去除焊縫兩側(cè)各30mm范圍內(nèi)的油污與雜質(zhì),然后再用無水酒精擦洗試板表面后施焊。在焊機(jī)上設(shè)置工藝參數(shù)如下:焊接電流82 A,焊接電壓17.6V,氬氣流量18L/min,詳細(xì)MIG焊接工藝參數(shù)見表3。
表1 6005A-T6板材的力學(xué)性能
表2 6005A-T6板材的化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%)
表3 MIG焊接工藝參數(shù)
需要強(qiáng)調(diào)的是,MIG焊熱影響區(qū)的軟化效應(yīng)明顯,電弧的弧柱呈錐狀,熱源不夠集中,容易導(dǎo)致試板的熱影響區(qū)的面積變大,需要選擇合適的工藝參數(shù)。此外,與激光焊相比,MIG焊的焊接變形與應(yīng)力較大,試件在焊接前應(yīng)做好反變形措施,并用專用夾具固定壓緊后再施焊。
從宏觀金相結(jié)果來看,6005A-T6鋁合金MIG焊縫形態(tài)良好,焊縫剖面上沒有氣孔,不存在裂紋,側(cè)壁沒有熔合、咬邊和未焊透等成型缺陷,焊縫宏觀組織良好,如圖1所示。與激光焊相比,MIG焊縫的焊接變形明顯較大,這是因?yàn)殇X合金激光焊接的比能較低[2],而MIG焊的電弧熱源相對不夠集中,高溫停留時間較長,熱輸入較大,導(dǎo)致變形有所增加。
圖1 MIG焊縫宏觀金相圖
熔池的結(jié)晶是一個連續(xù)快速且由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程,其會在熔合線附近產(chǎn)生形核質(zhì)點(diǎn),然后逐漸長大。從微觀組織形態(tài)可以看出,在熔合線附近的晶核通常選擇最優(yōu)結(jié)晶取向的方向或者溫度梯度最大的反方向生長,具有明顯的方向性。晶粒以樹枝狀向焊縫區(qū)延伸,呈現(xiàn)出較大的不均勻性,如圖2(b)所示。在焊縫中心區(qū),由于熔池中心產(chǎn)生了很大的成分過冷區(qū),溫度梯度明顯變小,因此晶核自由長大成等軸晶粒,如圖2(a)所示。與熱影響區(qū)相比,母材區(qū)的組織均勻致密,無明顯的方向性,沒有發(fā)生明顯的組織相變過程,如圖2(c)所示。
圖2 MIG焊縫不同區(qū)域微觀組織形態(tài)
從表4的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:4組MIG焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為176MPa,接頭強(qiáng)度達(dá)到了母材強(qiáng)度270MPa的65%。一方面是材料在MIG焊的過程中受到不均勻的局部電弧熱源的作用,破壞了材料原來的時效強(qiáng)化效果改變了強(qiáng)化相的分布狀態(tài)和數(shù)量。另一方面是由于MIG焊的熱源并不是非常集中,高溫停留時間相對較長,熱影響區(qū)的軟化效應(yīng)明顯,導(dǎo)致焊縫區(qū)組織的力學(xué)性能明顯下降。
表4 MIG焊接頭抗拉強(qiáng)度
準(zhǔn)備2mm厚的6005A-T6板材,尺寸規(guī)格為350mm×150mm×2mm,數(shù)量為4組,每組3副試板。焊前清理試件表面油污、水分后待焊。設(shè)置激光焊機(jī)參數(shù):振鏡速度為600mm/s,振鏡寬度為3mm,送絲速度35mm/s,焊接速度25mm/s,激光功率比80%,激光占空比100%,分別用激光功率為2000W、2200W、2400W和2600W的參數(shù)焊接4組試板。工藝參數(shù)見表5。
表5 焊接工藝參數(shù)表
激光焊在試驗(yàn)過程中要嚴(yán)格控制裝配精度,因?yàn)榧す饨?jīng)聚焦后光斑直徑很小,當(dāng)裝配間隙的精度和錯邊量較大時,一旦光束出現(xiàn)偏離,就很容易引起焊接成型效果變差[3]。此外,因?yàn)闆]有激光跟蹤裝置,所以焊縫尋位比較困難,容易導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)偏焊的焊接缺陷,當(dāng)編程時,需要多取幾個點(diǎn)來保證激光焊槍的行走路線與焊縫中心線重合。
當(dāng)激光功率為2600W時,焊縫表面顏色發(fā)灰發(fā)暗,有明顯的氧化跡象,局部焊縫表面出現(xiàn)了咬邊缺陷,原因在于激光功率太大,能量密度過于集中,焊接熱輸入明顯過大,導(dǎo)致焊縫內(nèi)部組織出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象。當(dāng)激光功率為2000W時,焊縫形態(tài)不飽滿,局部焊縫有未填滿缺陷,原因在于激光功率較小、焊接熱輸入明顯不足。
此外,當(dāng)激光功率為2600W時,焊縫中心局部有細(xì)小的裂紋,這是當(dāng)焊縫凝固結(jié)晶時產(chǎn)生的拉應(yīng)力誘發(fā)的。一方面,由于激光焊的峰值溫度高,高溫停留時間短,冷卻速度較快,導(dǎo)致在較短時間內(nèi)產(chǎn)生了很大的拉應(yīng)力。另一方面,當(dāng)焊縫熔池由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時,首先會形成一層液態(tài)薄膜,隨著焊縫凝固結(jié)晶過程的進(jìn)行,焊縫中心區(qū)的溫度梯度逐步變小,凝固結(jié)晶速度相對變緩。薄膜在受到拉應(yīng)力的作用后很容易被拉開而形成細(xì)小的裂紋源,進(jìn)而產(chǎn)生焊接裂紋。
從微觀組織可以看出,母材組織狀態(tài)較均勻,晶粒細(xì)小,如圖3(c)所示。6005A-T6鋁合金固溶處理后進(jìn)行了時效,在電弧熱源作用下,很多細(xì)小的亞穩(wěn)相擴(kuò)散析出并彌散分布。焊縫熱影響區(qū)晶粒明顯較大,這是因?yàn)榧す夂冈诋?dāng)焊縫熔池結(jié)晶時溫度梯度較大,激光焊的熱源相對集中,峰值溫度較高,高溫停留時間較短,導(dǎo)致最先在熔合線附近形核結(jié)晶的晶粒迅速呈一定方向性長大,結(jié)晶過程存在嚴(yán)重的不均勻性和方向性,如圖3(b)所示。在焊縫中心區(qū),主要有細(xì)小的等軸晶和樹枝晶,這是由于結(jié)晶末期,熔池的溫度梯度降低,是過冷度較小和成分過冷共同作用的結(jié)果,如圖3(a)所示。
此外,從圖3(a)可以發(fā)現(xiàn),微觀組織有明顯的氣孔,在鋁合金激光焊的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中,氣孔是最常見的一種缺陷,容易出現(xiàn)氣孔的原因有以下幾點(diǎn):首先,鋁合金材料表面很容易從空氣中吸收水分,發(fā)生氧化形成一層致密的AL2O3氧化膜,在電弧的作用下受熱分解容易產(chǎn)生氫氣;其次,氣孔的產(chǎn)生主要和氫溶解度的變化密切相關(guān)。熔池結(jié)晶是一個連續(xù)的高溫液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過程,溶解氫在液態(tài)和固態(tài)兩種狀態(tài)下的溶解度差別較大,當(dāng)熔池結(jié)晶時,溶解在高溫液態(tài)中的氫迅速溢出,形成氣泡并聚集長大[3]。此外,激光焊縫形態(tài)深而窄,冷卻速度快,氣孔的上浮和溢出需要充足的時間,氣孔沒有充分的擴(kuò)散和溢出會導(dǎo)致焊縫內(nèi)部形成氫氣孔;氣孔的危害主要表現(xiàn)在有效承載焊縫面積減少且容易誘發(fā)其他焊接缺陷,導(dǎo)致鋁合金結(jié)構(gòu)件的承載能力下降。減少氣孔在鋁合金激光焊接中出現(xiàn)的方法有很多種,不過都難以從根本上清除氣孔[4]。
圖3 激光焊焊縫不同區(qū)域微觀組織形態(tài)
與氬弧焊縫強(qiáng)度相比,激光焊焊縫的抗拉強(qiáng)度明顯較好。這是因?yàn)楹缚p軟化區(qū)較窄,熱影響區(qū)較小。另外,通過激光填絲可獲得均勻的焊縫并抑制突出枝晶生長,細(xì)化組織,避免熱裂紋的產(chǎn)生,可以明顯提高焊縫強(qiáng)度[5],如圖4所示,當(dāng)其他試驗(yàn)參數(shù)一定時,焊縫的抗拉強(qiáng)度隨著激光焊功率的提高逐步提高,當(dāng)激光功率為2400W時,抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值203MPa,為母材強(qiáng)度270MPa的75%。當(dāng)激光功率超過這一臨界值時,焊縫抗拉強(qiáng)度隨激光功率的增加呈明顯的降低趨勢。這是因?yàn)楫?dāng)激光功率太大時,在單位長度的焊縫上產(chǎn)生的熱輸入過大,焊縫內(nèi)部產(chǎn)生了過熱甚至過燒缺陷,晶粒明顯長大,導(dǎo)致焊縫區(qū)組織力學(xué)性能明顯下降。
圖4 不同激光功率下的平均抗拉強(qiáng)度
當(dāng)激光功率低于2400W時,所焊試樣無論是面彎還是背彎試驗(yàn),彎曲到180°后均未發(fā)生開裂現(xiàn)象,無裂紋等缺陷出現(xiàn),如圖5所示。這是因?yàn)闊彷斎肓窟m中,焊縫組織均勻,晶粒細(xì)小,焊縫塑韌性較好。當(dāng)激光功率為2600W時,其中當(dāng)2個樣塊面彎時出現(xiàn)了4mm長的裂紋,其余彎曲結(jié)果均合格。這是因?yàn)楫?dāng)激光功率太大時,焊縫熱輸入明顯過大,導(dǎo)致焊縫組織出現(xiàn)粗晶脆化現(xiàn)象。
圖5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果
該文經(jīng)過試驗(yàn),可以得出以下結(jié)論:1)鋁合金激光焊接頭性能良好,強(qiáng)度明顯高于MIG焊接頭,抗拉強(qiáng)度能達(dá)到母材強(qiáng)度的75%以上;2)隨著激光功率的增大,接頭抗拉強(qiáng)度增大,但是當(dāng)激光功率達(dá)到一定值時,接頭強(qiáng)度隨著激光功率的增大呈現(xiàn)下降趨勢;3)鋁合金激光焊裝配精度要求較高,與MIG焊接接頭相比,更容易出現(xiàn)氣孔等缺陷。