6061铝合金冷弧焊工艺研究

作者:李聪;魏冉;胡爽; 刊名:轻合金加工技术 上传者:王佳

【摘要】为了研究6061铝合金板的精密焊接工艺,进行热输入量小的冷弧焊工艺研究。通过金相分析、力学性能试验和SEM、EDS研究了铝合金冷弧焊焊接接头的金相组织、力学性能和断口形貌特征。结果表明:在脉冲电流40 A、钨极长度在2 mm~3 mm、焊接倾角75°左右、氩气流量8 L/min时,得到最佳成形接头;接头熔合区组织主要为等轴晶和树枝状晶,热影响区为粗大的柱状晶且有长大趋势,母材区呈纤维状沿着轧制方向晶粒被拉长;熔合区和热影响区的硬度均低于母材的,熔合区硬度最低,有裂纹和气孔的部位硬度显著降低;焊接接头的拉伸强度低于母材的;焊接接头的拉伸断口断面上分布少量的韧窝且尺寸较小,有些呈河流状,分析可知断裂类型为韧脆混合型断裂。

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在车辆轻量化技术背景下,铝合金由于质量轻、强度高、耐腐蚀性能好、成形性好及低温性能好等特点,被广泛地应用于轨道列车和汽车制造等领域。铝合金的广泛使用促进了铝合金焊接技术的发展,现在铝合金焊接技术成为金属焊接领域的研究热点之一[1-4]。本项目对6061铝合金板的冷弧焊工艺进行研究。1试验材料和方法1.1试验材料和设备本试验采用2 mm厚的6061铝合金轧制板,试样尺寸为90 mm×60 mm×2 mm。其主要力学性能:抗拉强度Rm≥180 N/mm2,屈服强度Rp0.2≥110N/mm2,伸长率A≥14%。主要化学成分如表1所示[5]。试验在JH-2000型低功率冷弧焊机上进行,该焊机采用电容充放电模式,并通过脉冲电弧的形式出弧。1.2试验方法采用对接焊接,试验过程为自熔不加丝焊接。通过大量试验发现,焊缝最佳成形参数为:焊接电流40A、钨极长度2 mm~3 mm、焊接倾角为75°、氩气流量为8 L/min。将得到的焊接接头进行切割制样,通过金相显微镜、扫描电镜观测宏观组织和微观组织;进行能谱分析;在拉伸试验机上进行力学性能测试。表1 6061铝合金板化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy sheet(wt/%)Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al0.40~0.8 0.7 0.15~0.40 0.15 0.8~1.2 0.04~0.35 0.25 0.15余量2试验结果与分析2.1焊缝宏观形貌表2是不同焊接电流下得到的有缺陷接头宏观形貌。表2中a的缺陷图表明接头有明显裂纹,这主要是由于铝合金线膨胀系数较大,焊件的变形和应力较大,试样相对较厚,冷却过快,而热输入量又不足,从而导致应力开裂。表2中b图则是由于电流过大产生的过熔和烧穿现象,其主要原因是热输入过大,但是却没有达到Al2O3氧化膜熔点,使得熔滴在金属表面的张力太小而产生未融合。表2中c图表明接头相对成形较好,但也有一些气孔和夹杂,热输入量大小合适,在焊接过程中如何能清理干净表面杂质、控制好其他焊接参数,则可以得到优质接头[6-9]。表2 6061铝合金板材焊接接头中的宏观缺陷Table 2 Macroscopic defects of welded joints of 6061 aluminum alloy sheet序号接头缺陷图焊接工艺参数a脉冲电流:39 A脉冲时间:43 msb脉冲电流:42 A脉冲时间:45 msc脉冲电流:45 A脉冲时间:43 ms2.2接头微观组织图1为6061铝合金焊接接头不同区域微观组织形貌。由图1可见,焊缝和热影响区组织明显不同,其原因是冷弧焊与其他焊接方法相比最显著的特点是能量小而集中,铝合金导热系数大,熔池中心温度下降较快,过冷度大,因此在熔合区为明显的枝晶组织,组织分布无择优取向特征,其原因是发生了非平衡凝固和成分过冷。除此之外,当熔池温度下降到其熔点以下时,会出现多个晶核沿不同的方向杂乱生长,如1c图所示。与传统的电弧焊相比,冷弧焊的热影响区相对较窄,热影响区出现明显的晶粒粗大,呈柱状晶,其原因是有明显的散热方向性[10],柱状晶向母材处生长如图1a所示。无论是焊缝还是热影响区都析出了Mg2Si相。母材组织呈纤维状分布,晶粒的伸长方向为轧制方向[11],如图1d所示。焊件母材区组织无明显变化。图1 6061铝合金冷弧焊接头微观组织形貌Fig.1 Microstructure of cold arc welding joints of 6061

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