MIG焊接电流对6082铝合金薄板性能的影响_郑长鑫.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n技术创新与应用M I G焊接电流对6 0 8 2铝合金薄板性能的影响郑长鑫,蔡明芳(南南铝业股份有限公司,南宁 5 3 0 0 3 1)摘 要:本文以3 m m厚度的6 0 8 2薄板型材为研究对象,研究了不同M I G焊接电流强度对型材样品力学性能和宏/微观组织的影响规律,得到以下结论:受焊缝输入热量及合金成分变化的影响,焊接后硬度曲线呈类“W”型分布;随焊接电流增大,焊缝熔深及熔合比逐渐加大,焊接后型材屈服强度、抗拉强度及延伸率增大;焊缝中心区晶粒为典型的铸态等轴晶,晶粒尺寸随电流的增大而增大,交界处晶粒主要为柱状晶;焊接后焊缝产生的孔洞限制了总体焊接性能的提升。关键词:6 0 8 2铝合金;M I G焊接;力学性能;微观组织 中图分类号:T S 9 1 4.1+3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 7 3-0 3E f f e c t o fM I G W e l d i n gC u r r e n t o nP r o p e r t i e so f6 0 8 2A l u m i n u mA l l o yT h i nP l a t eZ h e n gC h a n g-x i n,C a iM i n g-f a n g(A l n a na l u m i n u mC o.,L t d,N a n n i n g5 3 0 0 3 1)A b s t r a c t:I n t h i sp a p e r,3 mm6 0 8 2 t h i np l a t e p r o f i l ew a su s e d t o s t u d y t h e i n f l u e n c e o fM I Gw e l d i n g c u r r e n t o nm e-c h a n i c a l p r o p e r t i e s,m a c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o s t r u c t u r e.T h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d:t h eh a r d n e s s c u r v e a f-t e rw e l d i n g i s a c l a s s W t y p ed i s t r i b u t i o nw h i c h i n f l u e n c e db y t h eh e a t i n p u t t o t h ew e l da n dc h a n g e s i na l l o yc o m p o s i-t i o n.W i t ht h ei n c r e a s ei nw e l d i n gc u r r e n t,t h ew e l dd e p t ho ff u s i o na n df u s i o nr a t i og r a d u a l l yi n c r e a s e d,t h ey i e l ds t r e n g t h,t e n s i l e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o no f t h ew e l d e dp r o f i l e i n c r e a s e s.W e l d e d j o i n t c e n t e r f o r t h e t y p i c a l c a s t e q u i a x i a lc r y s t a l,g r a i ns i z e i n c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s e o f c u r r e n t,t h e j u n c t i o no f t h e g r a i n i sm a i n l y c o l u m n a r c r y s t a l.T h e h o l e s i nt h ew e l da f t e rw e l d i n g l i m i t t h e i m p r o v e m e n t o f t h eo v e r a l lw e l d i n gp e r f o r m a n c e.K e yw o r d s:6 0 8 2a l u m i n u ma l l o y;M I Gw e l d i n g;M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s;M i c r o s t r u c t u r e作者简介:郑长鑫(1 9 9 5),男,本科,助理工程师,主要从事铝合金加工技术及产品开发。1 引言6 0 8 2铝合金属于可热处理强化型铝合金,其不仅具有较高的强度、塑性及冲击韧性,而且具有优良耐蚀性能、加工性能 及 焊 接 性 能,广 泛 应 用 于 汽 车 及 轨 道 交 通 领域1-3。6 0 8 2作为轻量化应用的常用材料之一,其成形性能及热处理特性已被广泛研究4-7。然而6 0 8 2往往以型材方式应用于汽车轻量化,常需要以焊接方式作为型材间连接方式,此时就需要用到M I G焊。M I G属于熔化焊接,全称熔化极惰性气体保护电弧焊,焊接过程中惰性气体不与金属发生反应,而是起到隔绝空气,包围焊接区的作用。因此M I G焊具有电弧燃烧稳定,熔滴向熔池过度平稳、安定、无激烈飞溅等诸多特点1 5。由于铝合金导电导热性高,熔点低、吸氢和线膨胀系数大1 6,因此焊接时容易变形。若焊接工艺不当则很容易引起烧损,产生氧化膜夹杂及形成热裂纹等焊接缺陷1 7-1 8。因此焊接后的焊缝强度决定整个构件的安全系数,而在焊接过程中焊接电流对整个板材的焊接性能也就起着尤为重要的影响作用。本公司计划对2 mm异形薄壁6 0 8 2铝型材进行焊接,但焊接后无法取样进行取样测试,为评估薄壁型材焊接性能情况。本文以3 mm厚度的6 0 8 2铝合金薄板为试验材料,采用对接方式焊接,重点研究焊接电流对焊缝组织和力学性能的影响,旨在为M I G生产应用提供指导。2 试验材料与方法2.1 焊接材料与方法6 0 8 2铝合金及4 0 4 3焊丝化学成分见表1。焊接型材为自主生产的6 0 8 2铝合金板材,板材厚度为3 mm,宽度为1 4 0 mm。焊接材料为1.2 mm的4 0 4 3(A l-S i系)焊丝。焊接电流分别为8 0 A、8 5 A、9 0 A、9 5 A、9 7 A,焊接速度为4 0 c m/m i n,送丝速度为4 m/m i n,焊接保护气为氩气。合金板材经焊接后静置由室温冷却。表1 试验用铝合金主要成分对照表合金材料S iM gC rT iC uZ nF eM nA l6 0 8 2国标0.71.3 0.61.20.2 50.10.10.20.50.41.0余量实测1.0 30.9 50.1 20.0 80.0 60.0 30.1 70.4 6余量4 0 4 3国标4.56.00.0 50.0 50.20.30.10.80.0 5余量实测5.3 50.0 30.0 10.1 00.2 30.0 80.6 50.0 2余量2.2 焊接性能检测2.2.1 维氏硬度测试维氏硬度试验参照标准G B/T4 3 4 0.1-2 0 0 9,测试过程以焊缝为中心分别从5片焊接板材上截取试样,经处理37DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0372 0 2 3年第9期后得到的打点试样示意图如图1所示。打点方法:从焊缝一侧依次在TMVM-1型维氏硬度计设备上进行打点,打到另一侧,各点间隔约为1.5 mm;硬度计加载力为1 k g,保压时间为1 0 s。图1 维氏硬度打点试样2.2.2 拉伸试验为了进行数据对比,方便比较焊接板材与母材的拉伸强度,试验参照标准G B/T2 2 8.1-2 0 1 0,对焊接板材通过数控铣床进行制样,从而得到如图2所示的拉伸试样。该焊接试样的形状尺寸大小与基材基本一致,焊缝位于拉伸试样6 0 m m的平行段中心处。拉伸试验在E 4 5.3 0 5材料试验机上进行。本次试验取铝合金的基材强度作为母材强度。图2 拉伸试样2.2.3 组织观察高倍金相制样方法参照标准G B/T3 2 4 6.1-2 0 1 2,通过对焊接试样进行切取,采用不同目数的砂纸对试样表面进行多次逐级打磨,直至完成7 0 0 0#砂纸打磨。样品经抛光液(1 0%的高氯酸酒精溶液)进行2 0 V电压的电解抛光后,用清水冲洗、吹干。随后经覆膜液(2.5%的氟硼酸水溶液)进行覆膜处理,用清水冲洗、吹干。最后将制好的样品放于A x i oV e r t.A 1倒置式金相显微镜上进行显微观察。低倍制样方法参照标准G B/T3 2 4 6.2-2 0 1 2进行制备。样品经4 0 0#砂纸打磨表面后置于氢氧化钠溶液中浸泡4 0 m i n,然后放入低浓度硝酸进行表面清洗,经过清水冲洗、吹干后即可进行宏观观察。3 试验结果与分析3.1 焊接区硬度分布图3 硬度值分布不同M I G焊接电流的焊接板材硬度测试结果如图3所示,由硬度值分布情况将焊接区分成3个部分:焊缝区(WZ,W e l dz o n e)、热 影 响 区(F z,F u s i o nz o n e)、基 材 区(BM,B a s em e t a l)。从曲线可看出硬度值呈类“W”型分布,即由基材区沿焊缝中心方向的硬度值呈现下降、上升、下降的分布。焊缝区宽度约为8 mm,基材强度位置距离焊缝中心约为2 0 mm,硬度值以焊缝为中心向两侧延伸并且呈对称分布状态。由图可知硬度值最低处为热影响区及焊缝中心区,硬度值最高处为基材区位置,由基材区向外侧延伸区域的硬度值保持不变。通过以上现象分析可知,随焊接电流逐渐增加,焊缝的硬度值逐渐增大,原因是焊接电流增大,焊缝金属充分熔合7。焊缝总体硬度比基材低,原因是M I G焊把焊丝与被焊型材经高温电弧熔合,使得焊接后的合金成分中M g含量降低,冷却后含M g析出相的数量下降,从而导致焊缝的硬度降低。热影响区及焊缝位置的硬度值均呈“V”型分布,热影响区的“V”型硬度分布形成原因是熔池放热导致该区域发生过时效6;而焊缝位置呈“V”型分布则是由于焊接过程中焊缝中心区域温度最高,合金元素M g烧损,造成中心处M g含量严重下降,从而导致硬度值最低。3.2 力学性能表2 焊接板材与基材的力学性能试样编号屈服强度/M P a抗拉强度/M P a延伸率/%与基材比值/%8 0 A7 7.0 87 7.31.1 62 3.28 5 A9 7.4 39 9.31.62 9.99 0 A1 4 0.4 81 6 6.91.9 25 0.39 5 A1 3 8.4 71 7 1.12.3 65 1.59 7 A1 3 5.7 91 7 5.42.45 2.8基材3 0 2.8 93 3 2.91 4.4 4 焊接型材与基材的力学性能如表2所示,随焊接电流逐渐增加,焊缝屈服强度、抗拉强度以及延伸率均有所提高。结合型材的低倍组织观察,从拉伸数据中不难看出,当焊接电流小于9 0 A时,型材没有被焊穿,两片合金板并没有完全熔合,从而相较于母材而言,抗拉强度只能达到基材抗拉强度的3 0%;而当焊接电流大于9 0 A时,两片合金板型材得以完全熔合,从而焊接后的抗拉强度得到明显提高,相较于母材焊接强度陡增至5 0%以上。3.3 焊接区的低倍与微观组织图4为焊接板材的低倍组织。由图可知,8 0 A的焊接板材焊缝深度约为2.2 mm,相对较浅,未能焊透薄板。随着电流逐渐增大,焊缝深度逐渐增大,直至穿透薄板。焊缝在拉伸过程中成为裂纹源,一般会比基材区先开裂。因此对于基材来说,焊接板材的力学性能比较低。图4 焊缝低倍组织:(a)8 0 A;(b)8 5 A;(c)9 0 A;(d)8 5 A;(e)9 7 A随着电流的增大,焊缝的宽度逐渐增大。焊接电流为由8 0 A时,对应宽度为7.6 mm;当焊接电流加到9 7 A时,47内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n焊缝宽度增加至8.3 mm。这是由于电流增大,导致温度提高,因此造成熔化区域增大。我们发现焊接电流小于9 0 A时的焊接型材的焊缝中心存在较大孔洞,这是由于熔池深度不足,两片焊接板并没有完全焊透,因此这未焊透的缝隙拉伸过程中裂纹源萌生处;当焊接电流较大时,两片薄板已然被焊穿,焊接后形成的焊缝处的孔洞分布均匀,焊缝强度与焊缝熔宽呈正比例关系8。结合硬度测试数据,我们讨论研究了焊缝处硬度值随电流增加而增大的原因,在此引入了一个“熔合比”概念。熔合比表示焊接过程中引起的熔化的母材占所有焊缝金属中的比例9。相关文献研究表明,随焊接电流增加,输入的热量增加,焊缝熔合比逐渐增加1 0,即焊缝力学性能受到母材金属力学性能的影响程度增加1 1。而这与此次试验焊缝处的硬度值随电流增加而增大恰恰相符。图5 焊缝中心微观组织:(a)8 0 A;(b)8 5 A;(c)9 0 A;(d)8 5 A;(e)9 7 A图6 焊缝与热影响区交界处微观组织:(a)8 0 A;(b)8 5 A;(c)9 0 A;(d)8 5 A;(e)9 7 A焊接后型材的微观组织如图5及图6所示。由图可知,焊接后型材的焊接部分的显微组织大致分成不均匀性非常明显的三个部分,由焊缝中心向外分别为:等轴粗晶区、交界处柱状晶区、加工变形的热影响区。热影响区晶粒为挤压加工后变形组织;焊缝晶粒为等轴铸态枝晶组织,并且伴随气孔存在;交界区的晶粒为沿散热方向形成的柱状晶组织。相关文献1 2-1 3的研究表明,当电流较小时,焊缝等轴粗晶区晶粒较小。随电流的逐渐增大,焊接处的输入热量增大,晶粒尺寸逐渐增大,不同焊接电流大小下对应的焊缝组织的晶粒尺寸对比并不明显。焊接后焊缝都出现了较多大小不一的孔洞,这是由于焊接后熔池凝固收缩而产生的缺陷6。这些孔洞容易引起应力集中,降低了焊缝的整体致密性1 4,从而使得焊缝力学性能进一步的提升受到限制,也即是当电流由9 0 A增加至9 7 A时,力学性能的提升变化并不明显,均为基材强度5 0%左右。4 结论通过以上对焊接板材的力学性能、硬度值的试验结果分析,以及对试样进行金相低倍宏观观察与高倍微观观察,研究了M I G焊接电流对6 0 8 2铝合金板材的影响,得出结论:1、受焊缝输入热量及合金成分变化的影响,焊接后硬度曲线呈类“W”型分布;2、随焊接电流增大,焊缝熔深及熔合比逐渐加大,焊接后型材屈服强度、抗拉强度及延伸率增大;3、焊缝中心区晶粒为典型的铸态等轴晶,晶粒尺寸随电流的增大而增大,交界处晶粒主要为柱状晶。4、不同焊接电流大小焊接后的焊缝都产生了孔洞,这些孔洞限制了总体焊接性能的提升。参考文献:1 马彪;刘金辉;谭日纯.6 0 8 2铝合金型材生产工艺研究,有色金属加工4 4(2)(2 0 1 5)3 9-4 2.2 秦兴国;张茂;杨冰.6 0 8 2-T 6铝型材M I G焊接性能研究,汽车工艺与材料(7)(2 0 1 6)5 3-5 5.3 董军贺;韩启强;刘伟南;何强;王洪卓;刘勇凯.均匀化温度对6 0 8 2合金组织及性能的影响,有色金属加工5 1(2)(2 0 2 2)5 5-5 9.4 刘金辉;马彪;谭日纯.6 0 8 2铝合金型材在线固溶热处理工艺研究,铝加工(1)(2 0 1 6)5 3-5 6.5 张伟;孟旭;李秋梅;刘兆伟;黄健.分步固溶对6 0 8 2铝合 金 组 织 和 性 能 的 影 响,有 色 金 属 加 工5 1(2)(2 0 2 2)6 0-6 3.6 吴文波;张志云.6 0 0 5 A-T 6铝合金型材M I G角接焊接工艺,轻合金加工技术4 9(1)(2 0 2 1)6 7-7 1.7 林文志.M I G焊接参数对6 0 6 1铝合金的影响分析,山西建筑4 8(3)(2 0 2 2)1 0 3-1 0 7.8 郑凯;李刚卿;韩晓辉;马华;宋凯.激光焊接参数对不锈钢搭接焊缝性能的影响,电焊机3(4 8)(2 0 1 8)2 3 6-2 4 0.9 孙壮.熔合比对0 C r 1 8 N i 9和.D异种钢焊接组织性能的影响,天津科技5(3 9)(2 0 1 2)1 4 0-1 4 2.1 0 宋思利;高进强;张红燕;纪永杰;刘熙章;夏佃秀.焊接工艺参数对对接焊缝熔合比影响的研究,焊接技术4(2 0 0 4)9-1 0.1 1 杨大伟;陈树海;黄继华;封小松;路浩.6 0 0 5 A铝合金激光-T I G复合热源填丝焊接技术,焊接学报1 0(3 8)(2 0 1 7)5 1-5 4.1 2 刘宝剑;王文利;王天先.焊接电流的大小对焊接接头性能及组织的影响,现代焊接(1 1)(2 0 1 6)5 3-5 5.1 3 薄鑫涛.影响再结晶温度及晶粒大小的因素J.热处理,2 0 1 9,3 4(0 5):3 1.1 4 李会,郭继祥,何小勃,侯振国,褚宏宇.铝合金M I G焊常见焊接缺陷分析及预防措施J.电焊机,2 0 1 3,4 3(0 4):7 2-7 6.1 5 张力,张振宇.M I G焊接法在铝及铝合金焊接生产中的应用J.城市车辆,2 0 0 9(0 6):4 2-4 3.1 6 蹇海根,谢幸儿,尹志民,姜锋,赵毅.铝镁合金板材M I G焊接接头组织与性能研究J.湖南工业大学学报,2 0 1 3,2 7(0 3):7 9-8 3.1 7 包晔峰,周昀,吴毅雄,等.铝合金脉冲M I G焊动态特性自适应控制J.上海交通大学学报,2 0 0 4,3 8(7):1 1 2 6-1 1 2 9.1 8 李君峰,齐彦庆,李万锋.A 1-M g合金M I G焊焊接缺陷及预防措施J.化工机械,2 0 0 2,2 9(3):1 6 1-1 6 3.57