不同焊丝对6082铝合金焊接接头组织性能的影响

2018-08-08张秀云吴广辉张志坚唐春林

机械制造文摘(焊接分册) 2018年3期

张秀云，吴广辉，张志坚，唐春林

(1湖南联诚轨道装备有限公司，湖南株洲412001;2．湖南铁道职业技术学院，湖南株洲412001)

0 前言

随着国内外轨道交通行业的快速发展，为进一步高速化、节能化，对轨道交通用材提出越来越高的要求，铝合金由于其良好的力学性能及较小的密度等优点广泛应用轨道交通行业［1－2］。6082铝合金有良好的耐蚀性和加工性能，是目前交通运输车辆的主要焊接结构材料［1－3］。国内外对6082铝合金的研究主要集中在加工工艺、热处理制度和焊接工艺上［4］。不同焊丝对6082铝合金焊接接头组织性能影响的研究鲜少报道。目前国内轨道交通车辆厂家在选择车体焊接用铝合金焊丝方面有两种不同的方案，部分车辆厂家选择使用ER5356铝合金焊丝，而另一部分车辆厂家则选择ER5087铝合金焊丝。文中以6082铝合金板材为研究对象，用ER5356和ER5087两种铝合金焊丝对其进行焊接，采用硬度测试、拉伸性能和显微组织分析对比方法研究两种焊接接头的组织和性能，旨在为6082合金的焊接提供理论和试验依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验基材采用6082-T6铝合金板材，厚度为12 mm，采用的焊丝牌号分别为ER5356和ER5087，直径为 1．6 mm，基材和焊丝主要化学成分见表1。

1.2 试验方法

将试样加工成60o的坡口并进行焊前处理，用专用打磨工具清除坡口附近的氧化皮，然后采用机器人进行MIG焊，三层三道焊，焊接工艺参数见表2。采用数显硬度计测量焊接接头上的硬度分布，焊接接头在MTS－810材料试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为2 mm/min。采用金相显微镜和透射电镜对焊接接头不同部位的微观组织进行观察和分析。

表1 试验材料的化学成分(质量分数，%)

表2 焊接工艺参数

2 试验结果

2.1 焊接接头硬度分布

沿着焊接接头横截面中心线按照ISO 9015－1－2001《金属材料焊接的破坏性试验硬度试验第1部分:弧焊接头的硬度试验》取样并进行硬度测试，焊接接头硬度分布如图1所示。结果表明，两种焊丝焊接的接头硬度沿焊缝中心对称分布，焊接接头的硬度低于母材的硬度，焊接接头硬度的最低点位于离焊缝中心14 mm左右的热影响区内。不同的是焊接接头上ER5087焊丝焊缝区的硬度略高于ER5356焊丝焊缝区的硬度。

图1 两种焊丝焊接接头的硬度分布

2.2 焊接接头的力学性能

按照ISO 4136－2001《金属材料焊接的破坏试验横向抗拉试验》进行拉伸测试。拉伸试样沿垂直于焊缝方向的焊件上切取3组试样，取其平均值，试样尺寸为300 mm×37 mm×12 mm。试验结果见表3。结果表明，两种焊接接头均断于热影响区，ER5087焊丝焊接的接头强度高于ER5356焊丝焊接的接头，其抗拉强度比ER5356焊丝接头高8 MPa，其屈服强度比ER5356焊丝接头高13 MPa，而断后伸长率则基本持平。

2.3 焊接接头微观组织

两种焊丝焊接的接头微观组织，如图2所示。结果表明，两种焊丝焊接的焊缝区和母材区结合良好，热影响区晶粒组织均呈粗大的柱状结晶组织，但ER5087焊丝接头比 ER5356焊丝接头晶粒较细(图2c)。ER5356焊接的焊缝区中心呈现部分枝晶状组织，而ER5087焊接接头焊缝区中心呈近似等轴状晶粒组织，且ER5087焊丝焊缝区晶粒比ER5356焊丝焊缝区也相对较细(图2e)。

2.4 焊接接头不同部位透射电子显微分析

两种接头不同部位的透射电子显微分析结果如图3所示。可以看出，基材由铝基体固溶体、亚微米级的短棒状相和针片状析出相β'(Mg2Si)三种物相组成，如图3a～3b所示。能谱分析表明，短棒状相是含Cr和Mn的初晶相，电子衍射表明这种针片状析出相为β'相(图3d)。两种焊丝焊接的焊接接头热影响区显微组织差别不大，β'析出相明显粗化，如图3d箭头所示。两种焊丝焊接接头的焊缝区显微组织分别如图3e和图3f所示，焊缝的显微组织均接近单相固溶体组织，其中ER5087焊丝焊缝晶粒比较细，晶内可见一些含Zr元素的质点。

表3 两种焊接接头的力学性能

图2 两种焊接接头微观组织

图3 焊接接头不同部位微观组织

3 分析与讨论

3.1 焊接接头上不同部位的显微组织特点

焊接过程中，焊丝在电弧作用下温度高达1 400～1 600℃［5］，在V形坡口处熔化凝固成焊缝。母材受焊接高温热量的影响，从坡口边缘向母材方向依次会发生局部熔化、固溶处理、过时效处理等过程。焊件冷却时，焊接热量沿母材方向和沿焊件下方的钢制平台方向传导，因金属导热系数高，相应的冷却速度也很高，焊缝与基材的交界区域沿散热方向依次出现快速凝固、淬火等过程。因此，焊接接头焊缝两侧依次会形成半熔化区、淬火区和过时效区。

3.2 力学性能分析

6082合金为固溶T6时效状态，母材的强化机制为固溶强化、Cr和Mn的初晶相强化以及β'(Mg2Si)相析出强化。如上所述，焊接加热时，母材受焊接热量的影响，从焊缝向母材方向依次会发生局部熔化、固溶处理、过时效处理等过程，之后过渡到基体区。靠近焊缝的淬火区，温度很高，基材发生重新固溶变为固溶体，半熔合部位既不是焊丝的成分，也不是原始基材的成分，而是焊丝与基材金属形成的一种交混合金。从试验结果也可以看出，两种焊接接头的半熔合部位均在靠焊缝侧出现晶粒粗化现象(图2)，因此该区域可能成为焊接接头的一个薄弱地带(距焊缝中心10～14 mm之间，离焊缝中心越远，其硬度越低)。介于淬火区和基材区之间的区域，因温度低于合金的固溶温度但高于基材T6处理时的时效温度而发生过时效。时效析出的晶粒相对粗化，使该区域发生了软化现象，但其硬度仍比半熔合部位高(距焊缝中心14～30 mm之间，其硬度逐渐升高)。因此，拉伸断裂时，断口位于热影响区的半熔合部位。

焊缝的强化来源于细晶强化、固溶强化和弥散相强化，因此可利用细晶强化、固溶强化和初晶相弥散强化来提高焊接接头的强度和韧性。两种焊丝中较高的镁含量保证了焊缝金属的固溶强化。ER5087焊丝中含有Zr元素，微量的Zr元素使得焊缝凝固过程中会优先析出一次初生的Al3Zr相质点，初生Al3Zr粒子为四方 DO23型结构，a=0．401 3 nm ，c=1．732 nm ，与 Al晶体结构极为相似，这种质点是α(Al)结晶时的理想晶核［6］，可以起到非均质晶核的作用，热影响区半熔合部位及焊缝区晶粒组织得以细化。从试验结果可以看出，在热影响区的半熔合部位ER5087焊丝接头相比ER5356焊丝接头晶粒较细。而晶粒细化强化了焊接接头的力学性能，提高了焊接构件在服役过程中的安全性。