5083-H111铝合金轧制板焊接性能及组织研究

2022-07-07张坤伦

铝加工 2022年3期

王强，张坤伦

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳 111003）

0 前言

随着高速铁路的飞速发展，高速列车轻量化成为铁路运输行业现代化的重要目标[1]。由于铝合金材料具有诸多优点，被广泛应用到现代交通运输领域中[2]，特别是高速车辆中。相比于如塑料、普通钢材、不锈钢等其他材料，铝合金具有更好的安全性、科学性和经济性[3]。随着铝合金产品的广泛应用，也给焊接工艺提出了更高要求，特别是5×××系和6×××系铝合金。其中的5083铝合金是一种典型的结构用铝合金，具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性能和加工性能优良等特性，广泛应用于航空航天、轨道运输、汽车、电工化工、桥梁建筑、导弹零件等大型工业领域[4-5]。

目前，大多数针对铝合金5083-H111的研究主要是研究不同焊接参数对焊接接头的影响。而本文主要针对5083-H111铝合金轧制板材的焊接性能及组织进行研究，采用自动化焊接，分析轧制板材焊接性能，进而获得理想的焊接接头，验证轧制板的焊接性能，为其自动化焊接生产提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为2块5 mm厚的5083-H111轧制板，其母材成分如表1所示。

表1 5083-H111铝合金板材化学成分（质量分数/%）

试验选用的焊材为某公司生产的进口焊丝EN ISO18273 S AL 5087，焊材成分如表2所示。

表2 焊材的化学成分（质量分数/%）

本试验使用自动MIG焊对试板进行焊接，设备选用型号为RTI 496-S的IGM悬臂机械手，焊机型号为Fronius TPS 5000。采用自动焊焊接试板，坡口形式为70°V型坡口，详见图1所示。

图1 坡口形式及焊缝示意图

焊前使用酒精及碗刷清除坡口及其两侧各50 mm区域内的油污及氧化膜，并使用工装夹具夹紧两块试板。焊接时，采用两层两道焊接法进行焊接，保护气体为99.999%的氩气，气体流量为45 L/min。经焊接试验优化，确定最佳焊接参数如表3所示。

表3 试板焊接参数

焊后分别对母材和焊缝按照ISO检验标准对试板进行外观检测、渗透检测等无损检测，确定符合标准ISO10042-B级要求后，对焊接试板进行加工取样，分别进行力学试验、微观组织观察、显微硬度试验，分析焊缝微观组织，验证最佳自动化焊接工艺参数。

2 试验结果及分析

2.1 微观金相分析

在5083-H111的母材区截取金相试样。母材微观金相试样经研磨和抛光后，用Keller试剂酸腐蚀，在Neept-21型卧式金相显微镜下观察分析。母材区金相试样的微观金相如图2所示。从图中可知，母材组织中存在着大量的狭长轧制组织，主要为α相及已从中充分析出的弥散β相，晶粒则以再结晶的等轴晶组织和冷加工变形的纤维组织这两种状态混合共存，其中α相为Mg在Al中的固溶体，β相为Mg与Al形成的金属化合物Mg2Al3[5-6]。

图2 5083-H111铝合金母材微观金相（200倍）

焊接接头微观金相试样经研磨和抛光后，用Keller试剂酸腐蚀，在Neept-21型卧式金相显微镜下观察分析。焊接接头各部位微观金相图片如图3所示。图3（a）中标记1、2、3、4、5分别对应焊接接头的热影响区（HAZ区）、盖面焊熔合区、打底焊熔合区、盖面焊焊缝区和打底焊焊缝区。

图3 5083-H111铝合金焊接接头微观金相

从图3（b）上可以看出，晶粒较母材有一定程度的晶粒长大情况，且部分位置出现晶粒异常粗大现象，这是由于热影响区受到焊缝区域的热传导的影响，使部分晶粒合并长大，导致β相强化减弱，但纤维组织会再结晶并向等轴晶转变。原有β相、新析出β相以及纤维组织再结晶生成析出的β相直接造成了HAZ区的β相数量增多，这时β相的弥散强化对强度的提高足以弥补部分晶粒粗大的损失，甚至会使其有所提高。

图3（c）、（d）所示熔合区的晶粒在焊缝区影响下，晶粒明显长大，但β相的数量比母材区、HAZ区的明显增多，其中小尺寸的β相占据了相当大的比例。由于在焊接时，近焊缝熔合区的化学成分与母材相近，此区域会完全熔化，在其结晶过程中会析出大量的β相。这些析出或重新聚集长大的β相对熔合区起到弥散强化作用[7]。

图3（e）、（f）取自焊缝区，其组织为典型的铸态金属枝状晶。盖面焊的焊缝区，枝状晶较细小且均匀分布，部分部位聚集严重；而图3（f）的打底焊的焊缝区，枝状晶较粗大，且晶粒严重聚集。这是因为在焊接过程中焊缝区温度较高，凝固时散热方向受限，所以冷却速度比焊接接头其他部位慢，易形成粗大的结晶。此外，焊缝区金属凝固时的不均匀性以及焊丝成分中含量较高的Mg和Mn，易造成低熔点共晶物在晶界处偏析聚集，从而更易形成较大的晶粒，故板材焊缝的下部晶粒明显大于表面部分。

2.2 显微硬度试验及分析

在焊缝、母材及热影响区分别取点进行试验，在用相同参数焊接的3个试板上分别取3个平面试样进行硬度试验，检测焊缝硬度，获得的显微硬度试验结果如图4所示。

图4 焊接接头横向显微硬度分布图

从焊缝层面硬度变化曲线可以看出，焊缝区域强度略高于母材，这是因为填充焊丝强度略高于母材导致焊缝强度提升。但是热影响区和母材的硬度基本一致，并未发生因焊接导致的热影响区软化现象。同时，5083-H111是经过加工硬化处理的铝合金，本身硬度很高，由于焊接热循环的影响，使热影响区的组织发生回复再结晶，使接头软化，焊缝中心为树枝状铸态组织，并且靠近熔合线处还有柱状晶的存在，即使晶粒尺寸较小，但其硬度也没有母材硬度大。总体来看，从热影响区到母材，硬度的变化都不大，这也从侧面验证了焊缝熔合线区域内性能的均匀性[8]。

2.3 拉伸试验结果及分析

为保证焊缝强度系数的准确性，对母材及试板均进行了拉伸试验，试验在AG-X 250KN电子万能试验机上进行。母材的拉伸结果见表4，焊接的试板拉伸结果见表5。

表4 母材拉伸结果

表5 焊接试样拉伸结果

从两表中可以看出，焊接试板的抗拉强度仅略低于母材，最小焊缝强度系数为0.920，平均焊缝强度系数为0.959，说明5083-H111铝板虽然焊缝断裂位置均在焊缝区域，但是强度基本和母材接近，说明其具有良好的焊接性。

从表5中可以发现，与可热处理铝合金的拉伸断裂位置主要发生在HAZ区的软化部位不同，焊接试板的断裂位置均处于焊缝区。由于焊缝区域峰值温度超过再结晶温度，晶粒再结晶，经过加工硬化产生的内应力消除，焊缝区域晶粒长大严重，导致焊接接头的硬度降低，甚至抵消了冷作硬化的强化效果，所以断裂位置发生在焊缝区[9]。