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1、歡迎訪問第1論文網(wǎng)高強(qiáng)Al-Cu合金脈沖MIG焊工藝研究歡迎訪問第1論文網(wǎng)    歡迎訪問第1論文網(wǎng)                                    國旭明  楊成剛 

2、 錢百年  張洪延                     （ 中國科學(xué)院金屬研究所，焊接室，沈陽110015 ）摘 要： 研究了單絲單脈沖、單絲復(fù)合脈沖和雙絲Tandem MIG焊對高強(qiáng)Al-Cu合金焊縫組織及性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：單絲復(fù)合脈沖焊接時(shí)，峰值電流周期性變化引起的熔池液體強(qiáng)烈的攪拌作用，使熔池的溫度梯度降低，固液界面前沿成分過冷區(qū)中的形核核心增加，促進(jìn)了焊縫組織的細(xì)化，提高了焊縫

3、的強(qiáng)度和塑性。雙絲MIG焊高的熱輸入和快的焊接速度，使焊縫產(chǎn)生了粗大的等軸枝晶組織，并增加了晶界和枝晶間共晶相的數(shù)量，使焊縫的強(qiáng)度、硬度和塑性降低。關(guān)鍵詞： 高強(qiáng)Al-Cu合金；復(fù)合脈沖； 雙絲MIG； 焊縫組織中圖分類號： TG444 . 74     文獻(xiàn)標(biāo)識碼： AStudy on Pulsed MIG Welding Process of High Strength Al-Cu AlloyGuo Xu-ming,  Yang Cheng-gang,  Qian Bai-nian,  Zhang Hong-yan(In

4、stitute of Metal Research, The Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110015, China)Abstract: The effects of single-wire unitary pulsed MIG、synergic pulsed MIG and double-wires tandem MIG processes on the microstructures and properties of high strength Al-Cu alloy welds were investigated. The results

5、 showed that the enhanced stirring action of the liquid metals in weld pool due to peak-current fluctuating periodically under single-wire synergic pulsed MIG welding decreased temperature gradients and increased heterogeneous nuciei within the region of constitutional supercooling just ahead of the

6、 solid-liquid interface. As a result, the microstructure of the weld was refined. The strength and ductility of the weld was increased. The high power inputs and rapid welding speed of double-wires MIG welding enhanced the formation of coarse equiaxed dendrites in the weld and increased the eutectic

7、 constituents at grain or dendrite boundaries. The strength, hardness and ductility of the weld was increased.Key words: high strength Al-Cu alloy; synergic pulse; Tandem MIG; weld microstructure  0  序  言    高強(qiáng)鋁銅合金也稱硬鋁合金，可熱處理強(qiáng)化，具有很高的室溫強(qiáng)度及良好的高溫和超低溫性能1，廣泛應(yīng)用于航空、航天及其它運(yùn)載工具的結(jié)

8、構(gòu)材料，如：運(yùn)載火箭的液體燃料箱2、超音速飛機(jī)和汽車的結(jié)構(gòu)件3以及輕型戰(zhàn)車的裝甲4等。目前常用于鋁合金連接的主要焊接方法有：交流鎢極氬弧焊（TIG）和直流反極性熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）。TIG焊由于采用交流電，鎢極燒損嚴(yán)重，限制了所使用的焊接電流，而且此法熔深能力弱，因此只適用于薄件鋁合金的焊接。MIG焊包括連續(xù)電流焊接和脈沖電流焊接。MIG焊時(shí)，焊絲做為陽極，可采用比TIG焊更大的焊接電流，電弧功率大，焊接效率高，故特別適合于中厚板鋁合金的焊接。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在鋁合金MIG焊時(shí)，脈沖電流焊接優(yōu)于連續(xù)電流焊接，它提高了鋁合金焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和疲勞壽命5。為進(jìn)一步提高電弧的穩(wěn)定性、改善焊縫

9、成形和增加熔深以及厚板鋁合金的高效焊接，近幾年國外發(fā)展了單絲復(fù)合脈沖MIG焊和雙絲Tandem MIG焊方法，但這兩種MIG焊方法對高強(qiáng)鋁合金焊縫組織和性能的影響如何，特別是對高強(qiáng)鋁銅合金而言，至今未見報(bào)導(dǎo)。本文針對20mm厚的2219中厚板高強(qiáng)鋁銅合金，進(jìn)行了單絲單脈沖、復(fù)合脈沖和雙絲Tandem MIG焊工藝的研究，以探討上述MIG焊方法對高強(qiáng)鋁銅合金焊縫組織和性能的影響。1  Tandem雙絲焊和單絲復(fù)合脈沖MIG焊原理    Tandem雙絲焊是將兩根焊絲按一定角度放在一個特別設(shè)計(jì)的焊槍里，兩根焊絲分別由各自獨(dú)立的電源供電。除送絲速度可以不同外，

10、其它參數(shù)，如：焊絲的材質(zhì)、直徑、是否加脈沖等都可彼此獨(dú)立設(shè)定，從而保證了電弧工作在最佳狀態(tài)。與其它雙絲焊技術(shù)相比，由于兩根焊絲的電弧是在同一熔池中燃燒，提高了總的焊接電流，因此提高了熔敷效率和焊接速度。同時(shí)由于兩根焊絲交替送進(jìn)同一熔池，對熔池具有攪拌作用，而降低了氣孔敏感性，改善了焊縫質(zhì)量6。圖1是Tandem雙絲焊的原理圖。 圖1  Tandem雙絲焊原理圖Fig.1 The schematic diagram of tandem double-wires MIG welding    單絲復(fù)合脈沖焊接工藝是采用一個低頻的協(xié)調(diào)脈沖對另一個高頻

11、單位脈沖的峰值和時(shí)間進(jìn)行調(diào)制，使單位脈沖的強(qiáng)度在強(qiáng)、弱之間低頻周期性切換，得到周期性變化的強(qiáng)弱脈沖群，其電壓波形如圖2所示。調(diào)制后的焊接電流使作用于熔池中的電弧壓力發(fā)生變化，不僅可以提高焊縫的熔深，獲得均勻美觀的魚鱗紋焊縫，而且還可以增強(qiáng)對熔池的沖擊振動，減少和消除焊縫氣孔7。 圖2  復(fù)合脈沖焊接的電壓波形Fig.2  The voltage wave form of synergic pulsed welding2  實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法    實(shí)驗(yàn)采用的母材為2219-T87高強(qiáng)鋁銅合金，試板尺寸為300×15

12、0×20mm，平板對接，坡口形式為X形，角度為80°。焊接設(shè)備采用德國CLOOS公司生產(chǎn)的Qunito 503單絲和雙絲MIG焊機(jī)，焊絲為ER2319，直徑=1.6mm，保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。焊接前先用丙酮去除坡口兩側(cè)的油污，后用不銹鋼鋼絲刷清刷坡口。首先采用單絲焊機(jī)進(jìn)行單脈沖和復(fù)合脈沖兩種工藝的焊接實(shí)驗(yàn)，然后采用雙絲焊機(jī)進(jìn)行雙絲焊的工藝實(shí)驗(yàn)，焊接工藝參數(shù)如表2所示。單絲焊時(shí)正、反面各焊3道，雙絲焊時(shí)正、反面各焊1道，層間溫度100。焊接后試板兩端用機(jī)械切割法各去除30mm，然后從試板上截取焊接接頭的兩個拉伸試樣和一個金相試樣。拉

13、伸試樣加工成光滑的圓棒拉伸試件，拉伸試件的直徑10mm，標(biāo)距長度50mm。拉伸實(shí)驗(yàn)在AG-250KNE電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率1.2mm/min。用MICROMET顯微硬度儀測量焊接接頭橫截面的硬度變化，壓頭載荷為200g。用 MeF-3型光學(xué)顯微鏡和PHILIPS-XL30掃描電鏡觀察最后一道焊縫中心的顯微組織。 表1  母材和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1  Chemical compositions of base metal and welding wire (mass fraction, %)實(shí)驗(yàn)材料 Cu Mn&

14、#160;Ti Zr V Fe Si2219 母材 6.28 0.30 0.048 0.12 0.07 0.22 0.082319 焊絲 5.96 0.30 0.17 0.12 0.06 0.14 0.04表2  焊接工藝參數(shù)Table 2  The welding parameters焊接參數(shù) 單絲焊 雙絲焊 單脈沖 復(fù)合脈沖 主電源 

15、從電源送絲速度 v/ (mmin-1) 6.0 6.0 8.8 6.0頻率 f/Hz 210 210 230 200峰值電壓 U/V 31 31 27 25.8脈沖時(shí)間 t/ms 2 2 1.9 1.9基值電流 I/A 85 85 95 95脈沖波形 3 3 3 3焊接速度 v/ (cmmin-1) 45 45 56平均電流 I

16、/A 258 260 268 194平均電壓 U/V 23.7 23.9 22.7 24.5第二脈沖頻率 f/Hz  8.0  第二脈沖電壓 U/V  26  第二脈沖時(shí)間 t/ms  3.2  第二脈沖占空因數(shù) (%)  30   3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 焊縫金屬顯微組織    圖3a,b分別為單絲單脈

17、沖和復(fù)合脈沖焊接后焊縫組織的金相照片?？梢妰煞N焊縫的顯微組織都呈等軸枝晶形態(tài)分布，由于焊縫金屬中含有大量的晶粒細(xì)化元素Ti、Zr、V等，它們在焊縫金屬中分別與Al形成TiAl3、ZrAl3和VAl7等相，這些析出相的晶格類型和晶格常數(shù)與Al基體非常接近，晶格錯配度很小89。因此，凝固過程中可以很好地成為非均質(zhì)形核的核心，促進(jìn)了焊縫晶粒組織的細(xì)化，因此兩種焊縫組織都很細(xì)小。從圖4的放大照片上可以看到，焊縫的組織基體是(Al)固溶體，在(Al)的晶界和枝晶間分布有+相和+相的二元和三元共晶組織，晶內(nèi)有強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)析出。    (a) 單脈沖焊的焊縫組織 

18、60;           (b) 復(fù)合脈沖脈沖焊的焊縫組織圖3  復(fù)合脈沖焊接對焊縫組織的影響Fig.3  The effect of the synergic-pulsed welding on weld microstructure     對比圖3a和b發(fā)現(xiàn)，復(fù)合脈沖焊接的焊縫組織晶粒相對細(xì)小，并且晶界和枝晶間分布的共晶組織呈球狀或細(xì)小的薄膜狀均勻分布。相比之下，單脈沖焊接的焊縫組織晶粒相對較大，沿晶界和枝晶間分布的共晶組織連續(xù)

19、性增加，這將影響焊縫金屬的強(qiáng)度和塑性。復(fù)合脈沖焊接引起焊縫組織進(jìn)一步細(xì)化，是由于峰值電流周期性變化引起電弧壓力也發(fā)生周期性變化，造成熔池液體的振動，使熔池液體發(fā)生攪拌作用的結(jié)果。在單脈沖焊接時(shí)，由于脈沖的峰值電流不變，且脈沖頻率很高，因此電弧壓力變化很小，熔池表面液體振動的振幅也很小，熔池的攪拌作用很弱。復(fù)合脈沖焊接時(shí)，由于疊加了一個低頻的協(xié)調(diào)脈沖，使脈沖的峰值電流按照低頻脈沖的頻率不斷發(fā)生變化，相應(yīng)地電弧壓力也隨之發(fā)生很大的變化。當(dāng)峰值電流高時(shí)，電弧壓力大，熔池表面的液體呈凹狀；當(dāng)峰值電流低時(shí)，電弧壓力小，熔池表面的液體呈凸?fàn)?，從而?dǎo)致熔池表面液體的上、下振動，引起熔池液體的攪拌作用10。熔

20、池液體的攪拌作用一方面增加了熔池內(nèi)原有的對流，增大了液體流動，降低了溫度梯度，擴(kuò)大了固液界面前沿的成分過冷區(qū)域；另一方面可使部分熔化的晶粒脫離熔池側(cè)壁進(jìn)入熔池，增加了形核核心1112。此外，由復(fù)合脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)對流可把從熔池側(cè)壁脫離的晶粒以及熔池中析出的形核質(zhì)點(diǎn)，如TiAl3、ZrAl3等帶到固液界面前沿的成分過冷區(qū)中，促進(jìn)了(Al)的非均質(zhì)形核，因此細(xì)化了焊縫組織。圖5為雙絲焊的焊縫組織，與圖3相比，晶粒明顯粗大，并且沿晶界分布的共晶組織薄膜增厚、變長。上述組織變化是由雙絲焊工藝特點(diǎn)決定的。(1) 雙絲焊時(shí)兩根焊絲前后并列排列，使熔池體積增加，高溫停留時(shí)間變長，冷卻速度變慢；（2）雙絲焊總的熱

21、輸入遠(yuǎn)高于單絲焊（單絲焊和雙絲焊的熱輸入分別為8KJ/cm和12KJ/cm），熔池中的液態(tài)金屬處于嚴(yán)重的過熱狀態(tài)，合金元素的燒損較為嚴(yán)重，使熔池中非自發(fā)晶核的質(zhì)點(diǎn)大為減少，降低了非均質(zhì)形核的能力；（3）由于凝固速度變慢，在凝固的最后階段，沿晶界和枝晶間殘留的液相量增多，這些液相通過共晶反應(yīng)，形成了數(shù)量較多的共晶組織。    圖4  焊縫金屬中共晶組織形貌               圖5  雙絲焊的焊縫組織Fig.4

22、  The Morphology of eutectic structure    Fig.5  The weld microstructure of tandem MIG welding 3.2 顯微硬度分布    圖6為通過焊縫、熱影響區(qū)和母材的顯微硬度橫截面變化曲線?？梢娫谶@三個區(qū)域中，焊縫區(qū)的硬度最低，這是由于焊縫金屬凝固時(shí)，發(fā)生了溶質(zhì)濃度變化的結(jié)果。 圖6  焊接接頭橫截面顯微硬度的變化Fig.6 The cross section microhardness through

23、 weld joint    當(dāng)熔池開始凝固時(shí)，首先析出溶質(zhì)含量低的(Al)固溶體，大部分溶質(zhì)原子，如：Cu、Mn等被排擠到低熔點(diǎn)的液相中。凝固結(jié)束時(shí)，富溶質(zhì)的液相在晶界和枝晶間形成了共晶相，因此貧溶質(zhì)的(Al)固溶體具有低的硬度。同時(shí)焊縫金屬不完全的淬化降低了過飽和度，減少了析出相硬化，故焊縫區(qū)的硬度最低。緊靠熔合線的局部熔化區(qū)經(jīng)歷了高的峰值溫度，使母材中的析出相完全溶解，并導(dǎo)致晶界局部熔化，形成一些共晶液相，一部分溶質(zhì)原子集中到液化相中，導(dǎo)致基體溶質(zhì)過飽和度下降，隨后冷卻過程中析出強(qiáng)化相減少，結(jié)果使局部熔化區(qū)中的固溶硬化和析出相硬化效果降低，同時(shí)該區(qū)晶粒粗大，

24、所以局部熔化區(qū)的硬度較低。鄰近局部熔化區(qū)的熱影響區(qū)硬度與母材相比，也發(fā)生了明顯的軟化。原因是：該區(qū)域也經(jīng)歷了充分的加熱，發(fā)生了平衡相的脫溶、析出和聚集長大，即發(fā)生了“過時(shí)效”，因此HAZ的硬度降低。母材為T87狀態(tài)，即經(jīng)過固溶處理，預(yù)變形和人工時(shí)效，基體中有大量細(xì)小、彌散的強(qiáng)化相，如：和T相析出，所以母材的硬度最高。從圖6還可以看到，雙絲焊比單絲焊的焊縫金屬硬度低，這可能是雙絲焊焊縫晶粒粗化的結(jié)果。3.3 焊接接頭力學(xué)性能    不同MIG焊方法對高強(qiáng)鋁銅合金焊接接頭力學(xué)性能的影響如表3所示。在焊接接頭試樣的拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)所有試樣都斷裂在焊接接頭的焊縫區(qū)，所

25、以焊縫是整個焊接接頭最薄弱部位，表3中所列的拉伸和屈服強(qiáng)度也就代表了焊縫的拉伸和屈服強(qiáng)度。圖7為拉伸焊縫斷口的截面形貌，可見斷裂通道是沿晶界分布的共晶相擴(kuò)展的。這說明晶界和枝晶間存在的共晶相對焊縫金屬的拉伸性能是不利的，因?yàn)檫@些金屬間相脆性大，很容易引發(fā)開裂。圖7  焊縫拉伸試樣的斷裂表面Fig.7 The fracture surface of tensile specimen     從表3可以看到，復(fù)合脈沖焊接的焊縫具有最高的強(qiáng)度和塑性，焊縫金屬的連接系數(shù)接近70%，單脈沖焊接的焊縫次之，而雙絲焊的焊縫強(qiáng)度和塑性最低，這與它們對應(yīng)的焊縫組

26、織形貌是一致的。復(fù)合脈沖焊接的焊縫組織最為細(xì)小，并且晶界共晶相呈球狀和細(xì)小的薄膜狀均勻分布，因此焊縫的強(qiáng)度最高，塑性最好。而雙絲焊由于總的熱輸入很大，得到了粗大的等軸枝晶組織，并且沿晶界分布的共晶相的數(shù)量明顯多于單絲焊，因此強(qiáng)度和塑性都最低。單脈沖焊接比復(fù)合脈沖焊接的焊縫組織粗大，但明顯細(xì)于雙絲焊，所以強(qiáng)度、塑性明顯好于雙絲焊，略低于復(fù)合脈沖焊接的焊縫。從本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，雖然雙絲焊的焊縫金屬強(qiáng)度和塑性有所降低，但由于雙絲焊時(shí)兩根焊絲在同一熔池中燃燒，提高了總的焊接電流，使焊接的熔敷效率遠(yuǎn)高于單絲焊。如本實(shí)驗(yàn)中帶坡口的20mm厚的鋁銅合金，采用單絲焊時(shí)，需要焊接6道，而采用雙絲焊時(shí)，只需焊

27、接2道即可。所以在滿足焊接接頭性能要求的前提下，特別適用于中厚板鋁合金的焊接。 表3  焊接接頭和母材金屬的拉伸性能Table 3  The tensile properties of weld joints and base metals焊接工藝 抗拉強(qiáng)度b/ MPa 屈服強(qiáng)度0.2/ MPa 延伸率(%) 斷面收縮率(%)單絲單脈沖 296.4 191 4.7 19.7單絲復(fù)合脈沖 298.8 193.9 5.0 23.8雙絲 MIG 287

28、.8 179.6 4.5 17.92219 母材 429.9 358.5 15.4 26.4 4  結(jié)論(1) 單絲復(fù)合脈沖焊接時(shí)，峰值電流周期性變化引起的熔池液體強(qiáng)烈的攪拌作用，細(xì)化了焊縫組織，提高了焊縫的強(qiáng)度和塑性。(2) 雙絲MIG焊高的焊接熱輸入和快的焊接速度，使焊縫得到了粗大的等軸枝晶組織，且組織中共晶相的數(shù)量明顯增多，降低了焊縫的強(qiáng)度、硬度和塑性。(3) 雙絲MIG焊時(shí)兩根焊絲在同一熔池中燃燒，提高了總的焊接電流，焊接效率遠(yuǎn)高于單絲焊，特別適合于中厚板鋁合金焊接。參考文獻(xiàn):1 中國機(jī)械工程學(xué)會

29、焊接學(xué)會編. 焊接手冊, 第二卷M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001. 520.2 劉春飛. 運(yùn)載儲箱用2219類鋁合金的電子束焊接J. 航天制造技術(shù), 2002, (4): 39. 無卷號3 Xiao D H, Wang J N, Ding D Y and Chen S P. Effect of Cu content on the mechanical prooerties of an Al-Cu-Mg-Ag alloyJ. J Alloy Compound, 2002, 343: 7781. 無期號4 Fisher. Jr J J, Kramer L S and Pickens J R

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