雙脈沖MIG焊對(duì)5052鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響-

1、摘要:研究了雙脈沖和單脈沖MIG 焊對(duì)5052Al-Mg 合金焊接接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,在合適的雙脈沖MIG 焊工藝參數(shù)下,獲得了美觀的魚鱗紋焊縫表面,焊縫金屬為大量細(xì)小的等軸晶組織,接頭力學(xué)性能得到提高。相比于單脈沖焊獲得的接頭,雙脈沖焊接接頭的焊接系數(shù)更高,達(dá)到93.3%,焊縫區(qū)硬度值得到提高,接頭沖擊韌性也更優(yōu)。此外,還通過微型剪切試驗(yàn)研究了接頭的微區(qū)力學(xué)性能,這也為鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的評(píng)定提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、快速且有效的方法。關(guān)鍵詞:雙脈沖MIG 焊;5052鋁合金;力學(xué)性能;微型剪切試驗(yàn)中圖分類號(hào):TG444+.74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-2303(201104

2、-0081-05第41卷第4期2011年4月Vol.41No.4Apr.2011Electric Welding Machine謝劍和,陳輝,趙軍靜(西南交通大學(xué),四川成都610031Study on the effects of the double-pulse MIG welding on the mechanical propertiesof 5052aluminum alloy jointsXIE Jian-he ,CHEN Hui ,ZHAO Jun-jing(Southwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,ChinaAbstract :T

3、he effects of the double-pulse and single-pulse MIG welding on the mechanical properties of 5052Al-Mg alloy joints wereinvestigated.Results show that double-pulse MIG welding of aluminum alloy get beautiful weld surface with scaly figures when welding was carried out by using proper parameters.A lar

4、ge amount of the fine equiaxed grain structures in weld metals were obtained and the mechanical properties of the joints were improved.Compared to single-pulse welding joints ,the welding coefficient of double-pulse welding joints was higher ,reaching 93.3%.The hardness of weld was increased ,and im

5、pact toughness of the joint was better.In addition ,the joints'mechanical properties of micro area were investigated through the micro-shear test ,which provides a simple ,rapid and effective method for the mechanical properties assessment of aluminum alloy joints.Key words :double-pulse MIG wel

6、ding ;5052aluminum alloy ;mechanical property ;micro-shear test 收稿日期:2010-08-09作者簡(jiǎn)介:謝劍和(1985,男,江西贛州人,在讀碩士,主要從事焊接工藝及結(jié)構(gòu)的研究。0前言5052為Al-Mg 系防銹鋁合金,不可熱處理強(qiáng)化。合金的塑性較高而強(qiáng)度較低,耐蝕性和焊接性良好。主要用于要求成形性和耐蝕性良好、疲勞極限高、焊接性好、中等靜載荷的部件,如飛機(jī)燃料和油料導(dǎo)管、油箱以及各種海運(yùn)與陸運(yùn)裝備的零部件等1。目前鋁合金常用的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

7、嚴(yán)重,限制了所使用的焊接電流,而且TIG 熔深能力弱,焊接效率低,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),焊絲作為陽極,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。在鋁合金的MIG 焊時(shí),一般采用脈沖電流焊接,該方法能夠減少熱輸入量,提高了鋁合金焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和疲勞壽命2。鋁合金線膨脹系數(shù)大,焊接時(shí)熱損失大,且會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力變形,焊接時(shí)具有一定的難度。在焊接過程中會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂紋、熱影響區(qū)寬、焊接變形大和合金元素?zé)龘p等問題,難以獲得與母材性能雙脈沖MIG 焊對(duì)5052鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響

8、焊接方法雙脈沖單脈沖高頻脈沖頻率f /Hz300300平均電流I /A 205205平均電壓U /V 24.024.0低頻脈沖頻率f /Hz50脈寬比/%500氣體流量Q /L ·min -12525焊接速度v /cm ·min -148.848.8干伸長(zhǎng)L /mm 1515表2焊接工藝參數(shù)材料5052ER5356w (Si0.250.25w (Fe0.400.10w (Cu0.100.10w (Mn0.100.050.20w (Mg2.202.804.505.50w (Cr0.150.350.050.20w (Zn0.100.10w (其他0.150.15w (Al余量余

9、量表15052合金與ER5356焊絲化學(xué)成分%相匹配的焊接接頭。鋁合金焊接成形外觀也是一個(gè)重要的問題,現(xiàn)有的TIG 焊成形好但效率低,普通的單脈沖MIG 焊成形又不夠好,都不能滿足焊縫美觀和焊接高效的要求。近幾年來從國(guó)外發(fā)展起來的雙脈沖MIG 焊工藝方法不但可以得到漂亮的魚鱗狀焊縫外觀,而且有較高的焊接生產(chǎn)率,它對(duì)于改善焊縫組織、降低氣孔率起到了良好的作用。1雙脈沖MIG 焊原理雙脈沖MIG 焊就是在高頻的基礎(chǔ)上,再對(duì)高頻電流波形進(jìn)行低頻調(diào)制,使單位脈沖強(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,所以雙脈沖MIG 焊也稱為低頻調(diào)制型脈沖MIG 焊,其原理如圖1所示。這種焊接方法

10、利用調(diào)整高頻脈沖強(qiáng)度來保證一個(gè)脈沖一個(gè)熔滴過渡,用低頻脈沖調(diào)制高頻脈沖的峰值和時(shí)間,控制熔池,即一個(gè)低頻形成一個(gè)熔池,其熱輸入量小,電流調(diào)節(jié)范圍寬,送絲穩(wěn)定,易于控制。調(diào)制后的焊接電流穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了鋁合金焊接要求的亞射流過渡形式,電弧力和熱輸入隨著低頻調(diào)制頻率的變化而變化,在獲得均勻美觀的魚鱗紋焊縫的同時(shí),擴(kuò)大了可焊接頭間隙的范圍,減少氣孔發(fā)生率,細(xì)化焊縫晶粒,降低裂紋敏感性,提高了焊接接頭的整體質(zhì)量。2試驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法試驗(yàn)采用的母材為5052-O 鋁合金(O 表示處理狀態(tài)為退火狀態(tài),試板尺寸50mm×100mm×5mm 。焊絲選用ER5356,直徑1.6mm , 保護(hù)氣體

11、為純度99.9%的氬氣,焊接設(shè)備采用德國(guó)EWM 公司生產(chǎn)的PHOENIX 系列焊機(jī)。母材和焊絲的化學(xué)成分見表1。先采用正交試驗(yàn)在母材表面堆焊,確定最佳的焊接工藝參數(shù),如表2所示。焊前先用丙酮將接口擦洗干凈,然后用不銹鋼鋼絲刷清理坡口和附近的表面直至露出金屬光澤,接頭形式為I 型平板對(duì)接,單面焊雙面成形,成形外觀如圖2所示。雙脈沖焊縫成形漂亮,表面的魚鱗紋清晰流暢、美觀規(guī)則,焊縫與兩側(cè)母材熔合好,未出現(xiàn)咬邊、未熔合和未焊透等缺陷。相比之下單脈沖焊縫表面成形較為普通,如圖3所示。采用HV-10B 維氏硬度機(jī)進(jìn)行接頭硬度測(cè)量,焊接工藝第41卷試樣5052母材5052雙脈沖5052單脈沖抗拉強(qiáng)度b /

12、MPa 222.0 207.1197.3焊接系數(shù)K /%10093.388.7延伸率/%25.018.420.2表35052脈沖MIG 焊拉伸試驗(yàn)結(jié)果圖25052雙脈沖MIG 焊接成形外觀自焊縫中心起每隔1mm 測(cè)量一次,并用金相顯微鏡對(duì)接頭進(jìn)行金相觀察。拉伸試樣在焊件上橫向截取,每種焊縫截取三個(gè)拉伸試件取其平均值,拉伸試驗(yàn)在WDW3100微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速率1.0mm /min 。截取接頭不同部位沖擊試件,按GB /T2650-1989焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法要求,在JBN-300擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行接頭的沖擊性能試驗(yàn),并用掃描電鏡觀察拉伸試件和沖擊試件的斷口形貌。在專用微型

13、剪切試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行微型剪切試驗(yàn)。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1焊接接頭拉伸試驗(yàn)在焊接接頭試樣的拉伸試驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)所有試樣都斷裂在焊接接頭的熱影響區(qū),起裂位置在距離焊縫中心10mm 左右處,可見熱影響區(qū)是整個(gè)焊接接頭最薄弱的部位。用接頭抗拉強(qiáng)度值除以母材抗拉強(qiáng)度得到接頭的焊接系數(shù)K =b 焊接/b ,5052鋁合金母材與焊接接頭拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 3?？梢婋p脈沖MIG 焊提高了接頭的抗拉強(qiáng)度,93.3%的焊接系數(shù),幾乎可以滿足所有Al-Mg 合金焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。拉伸斷口掃面電鏡下的形貌如圖4所示。由圖4 可知,雙脈沖和單脈沖試件都屬于典型的韌窩斷裂,都有明顯的韌窩。雙脈沖接頭的韌窩小而些

14、,有些部位還有層狀撕裂,說明雙脈沖接頭韌性良好。a 雙脈沖b 單脈沖圖4拉伸斷口形貌(1000×3.2硬度試驗(yàn)5052焊接接頭硬度分布曲線如圖5所示。焊接工藝謝劍和等:雙脈沖MIG 焊對(duì)5052鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響第4期沖擊部位焊縫熔合區(qū)熱影響區(qū)母材雙脈沖A ku /J19.224.527.222.7單脈沖A ku /J17.024.025.322.5表45052脈沖MIG 焊接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果晶粒粗大,強(qiáng)度降低,總體看來其硬度強(qiáng)度在熱影響區(qū)和焊縫都會(huì)有一定的降低。熱影響區(qū)硬度降低較為嚴(yán)重,這是因?yàn)樵诤附舆^程中,焊縫因添加的焊絲使燒損的元素得到了一定的補(bǔ)充,而熱影響區(qū)Mg 、S

15、i 等元素也出現(xiàn)燒損卻得不到充分的補(bǔ)充,因此熱影響區(qū)硬度強(qiáng)度損失最多,嚴(yán)重影響接頭的整體性能,會(huì)給鋁合金結(jié)構(gòu)的安全性帶來不利影響。雙脈沖焊縫區(qū)硬度值要比單脈沖略高,究其原因:雙脈沖焊接時(shí),由于在原有高頻脈沖的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)低頻調(diào)制脈沖,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)生很大變化,溶池液體振動(dòng)加大,使得焊縫組織進(jìn)一步細(xì)化。而單脈沖焊接時(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(dòng)的振幅也很小,熔池的攪拌作用有限3。焊縫金相照片如圖6所示,由圖6可知,雙脈沖和單脈沖工藝下的焊縫顯微組織都呈等軸枝晶形態(tài)分布,兩種焊縫的組織都

16、很細(xì)小。焊 縫組織基體是(Al固溶體,焊縫中心組織為(Al+Mg 2Si 的共晶網(wǎng)絡(luò)狀組織。雙脈沖焊接的焊縫組織晶粒相對(duì)細(xì)小均勻些。雙脈沖焊工藝對(duì)熔池的攪拌作用導(dǎo)致焊縫組織發(fā)生的變化,使得在提高焊縫金屬強(qiáng)度的同時(shí),還有利于熔池中氣體的排除。a 雙脈沖b 單脈沖圖6焊縫組織金相照片(100×3.3焊接接頭的沖擊實(shí)驗(yàn)按GB /T2650-1989焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法要求進(jìn)行了室溫沖擊實(shí)驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)試件開V 型缺口,雙脈沖和單脈沖MIG 焊條件下5052接頭不同部位的沖擊吸收功如表4所示。結(jié)果表明,沖擊吸收功A ku 都是熱影響區(qū)最高,焊縫最低,熔合線附近的沖擊功也比母材高。這主要是受焊接

17、過程中熱循環(huán)的影響,焊縫金屬重新凝固,近縫區(qū)域受高溫影響發(fā)生再結(jié)晶和退火,組織發(fā)生改變而導(dǎo)致韌性降低,離熱源中心越遠(yuǎn),材料受到的影響越低。相比于單脈沖MIG 焊工藝,雙脈沖MIG 焊試件焊縫部位的沖擊吸收功要高于單脈沖焊接試件。SEM 斷口如圖7所示。由圖7可知, 顯微形貌特征都是韌窩,是典型的韌性斷口。韌窩的形成過程是:顯微空穴在塑性變形過程中的不斷擴(kuò)展、聚集,使空穴與空穴之間自由表面的厚度逐漸變薄,當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí),空穴就會(huì)破裂分離,每個(gè)顯微空穴就形成一個(gè)韌窩。雙脈沖焊縫區(qū)的沖擊斷口韌窩形貌比單脈沖斷口韌窩更加規(guī)則細(xì)小,韌窩深度也更深,可見雙脈沖接頭的沖擊韌性更優(yōu)。a 雙脈沖b 單

18、脈沖圖7沖擊斷口(2000×3.4焊接接頭的微型剪切實(shí)驗(yàn)采用常規(guī)試驗(yàn)方法測(cè)定鋁合金構(gòu)件焊接接頭各區(qū)的力學(xué)性能及其變化規(guī)律是比較困難的。通過微剪實(shí)驗(yàn)可以得到焊接接頭微區(qū)的剪切強(qiáng)度(SS 、剪切功(SW 等性能指標(biāo),這些指標(biāo)為研究鋁合金焊接接頭性能提供了有效的手段。微型剪切試驗(yàn)法是一種行之有效的材料試驗(yàn)新方法,特別適用于焊接接頭這類非均勻性材料微區(qū)性能的研究,微型剪切試驗(yàn)為鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的評(píng)定提供了一個(gè)新途徑4。在焊接接頭中垂直焊縫方向取尺寸1.7mm×1.7mm×60mm 的試件,磨削成1.5mm×1.5mm×60mm 。應(yīng)用專用微型剪切試驗(yàn)設(shè)備,選擇合適的剪切間距(0.62.0mm在微型剪切試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切,