5A06的焊接工藝與性能

陳文靜，范浩霖，陳群燕

（1.西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039；2.西華大學西華學院，四川成都610039；3.山東工業(yè)職業(yè)學院機電系，山東淄博256414）

5A06的焊接工藝與性能

陳文靜1，范浩霖2，陳群燕3

（1.西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039；2.西華大學西華學院，四川成都610039；3.山東工業(yè)職業(yè)學院機電系，山東淄博256414）

采用電子束工藝焊接5A06鋁合金，對獲得的焊接接頭進行了焊縫外觀檢查、無損檢測和顯微硬度測試以及X射線衍射分析，分析焊縫區(qū)、母材的顯微組織和接頭性能。結果表明，采用焊接工藝參數（加速電壓40 kV、聚焦電流245.8 mA、電子束流38 mA、焊接速度77 mm/min；帶掃描）焊接的整批產品，經過X射線探傷，焊縫內部無裂紋、夾渣，無氣孔缺陷，焊縫中Mg燒損較小，焊接接頭中焊縫區(qū)硬度較母材降低。另外在焊接接頭中焊縫區(qū)和母材的相組成基本相同，但是焊縫中Al和AlFe3相組成明顯增多。焊縫外觀、內部質量、熔深均滿足產品的使用要求。

5A06鋁合金；焊接接頭；顯微組織；性能

0　前言

5A06鋁合金是鋁-鎂系合金中鎂含量高、不可熱處理強化的鋁合金，其強度中等，疲勞性能、焊接性能、抗蝕性能良好，冷變形可提高強度。5A06鋁合金還具有低密度、優(yōu)良的導電性與導熱性、非磁性、反射性、陽極氧化性等綜合性能。因此，5A06鋁合金在中載構件，液體容器、管道等焊接結構件及船舶領域中應用十分廣泛，其薄壁產品也在某些壓力容器的研制中得到廣泛使用，5A06鋁合金退火后焊接性、抗蝕性良好，冷變形后可提高強度，因此，在中載構件、液體容器、管道等零件中已被廣泛采用。5A06鋁合金焊接方式有多種，但采用真空電子束焊接鋁合金，不但焊件的熔深大，焊接速度快，熱輸入低，熱影響區(qū)小，焊縫純度高，而且變形量也小，接頭力學性能好[1-2]。

航天某破裂膜片主要用于防止加注貯存期間安溢活門發(fā)生微量泄露，故對焊縫質量要求高：對試件焊縫常溫加壓0.5 MPa，保壓10 min，要求無氣泡，熔深不小于4 mm，對所有焊件進行射線探傷，接頭內部不允許有裂紋、未焊透、未熔合，不應有帶尖角的氣孔，鋁合金接頭中允許存在的微小氣孔尺寸不大于φ0.2 mm。其余要求滿足相關的國軍標（GJB 1718A-2005）一級焊縫技術要求。因此本研究就產品焊縫接頭型式，采用真空電子束焊，研究了焊接工藝參數及其焊接接頭性能，為生產提供一定的理論依據。

1　焊接試驗

1.1試驗材料

采用真空電子束焊對厚11 mm的5A06板和厚0.5 mm的1060板試樣進行焊接，焊前將試樣浸泡在10％NaOH溶液中，5～15 min后取出，在30％的HNO3溶液中酸洗，然后用清水沖洗干凈并烘干。母材化學成分如表1所示。

表1　母材化學成分Tab.1Chemical composition of base metal％

1.2試驗方法

焊接接頭如圖1所示，試驗采用桂林獅達公司生產的THDW-6型高壓高真空電子束焊機進行焊接。主要從優(yōu)化工藝參數方面來消除焊縫內部氣孔，達到改善焊縫質量。試樣一工藝參數為：焊接加速電壓40 kV、聚焦電流245.8 mA、電子束流38 mA，焊接速度77 mm/min。試樣二工藝參數為：焊接加速電壓60 kV、聚焦電流299.4 mA、電子束流23 mA、焊接速度15.7 mm/min。

圖1　組合焊縫結構Fig.1Combination welded structure

2　試驗結果及討論

2.1焊接接頭質量檢測

分別對工藝一和工藝二的焊接試樣進行檢測。

（1）焊縫外觀檢查。

試樣一焊縫表面與母材齊平具有較大的熔寬，成形良好，熔深為4.82 mm，熔寬為4.60 mm，熔深與熔寬較為接近，深寬比小。試樣二焊縫表面與母材齊平，焊縫成形良好，具有較大的熔深，熔深為5.12 mm，熔寬2.02 mm，深寬比較大。在聚焦電流較小時，焦點位于工件內部，束流到達工件表面時呈下焦點散焦狀態(tài)，束斑直徑較大，電子束的能量密度作用于材料的較小，熱效應被削弱，形成焊縫所需能量主要以熱傳導的方式獲得，因此焊縫截面較為扁平，深寬比較小見圖2a。隨著聚焦電流增大，焦點上移，但仍在工件內部，束流的能量轉化仍主要發(fā)生在工件表面，但束斑直徑減小而能量密度增大，表現出一定的深熔效應，焊縫截面呈上寬下窄的漏斗形，金屬迅速熔化蒸發(fā)，產生小孔效應，深寬比增大見圖2b[3]。

圖2　焊縫外觀形貌Fig.2weld bead appearance

（2）無損檢測。

采用X射線分別對兩個試樣進行探傷，試樣一焊縫區(qū)內部無裂紋、未焊透、未熔合、氣孔等焊接缺陷；試樣二在焊縫區(qū)出現焊接氣孔。這是由于在電子束焊接中，隨著加速電壓和聚焦電流的提高，熔深增加，焊縫橫截面的深寬比增加，另外隨著焊接速度的降低，熔深也相對增大，深寬比由1倍增加到了2.5倍，隨著焊縫深寬比的增加，在焊后的快速冷卻過程中，焊縫金屬凝固時熔池中的氣體來不及逸出，導致出現了氣孔。

（3）化學成分分析。

對焊接后的試樣進行能譜測試，分析母材和焊縫中元素的分布，能譜測試結果如表2所示，由表2可知，母材和焊縫區(qū)Al和Mg的含量變化較大，Al含量在焊縫區(qū)較母材高，而Mg含量在焊縫區(qū)較母材低。由于膜片為純鋁1060，在焊接過程中作為焊接材料向焊縫中添加了Al，因此焊縫中Al含量比母材高，Mg含量從母材到焊縫區(qū)由6.78％分別降低到4.02％和3.93％，Mn含量由0.73％分別降低到0.70％和0.54％。這是因為在電子束焊接中，當焊接速度降低時，作用在工件上的熱輸入增加，熔池溫度升高，熔深增加，此時，熔池熔化前沿與匙孔壁間的液體金屬增多，此區(qū)域液體金屬直接處于電子束的下方，在電子束的直接作用下，金屬溫度高，蒸發(fā)快，使Mg元素和Mn元素燒損隨之增加[1]。

表2　化學成分測試結果Tab.2Chemical composition analysis result％

2.2顯微組織

用2 ml HF+3 ml HCl+5 ml HNO3+90 ml H2O溶液腐蝕出焊接接頭組織，并觀察焊縫、熱影響區(qū)和母材金屬顯微組織。

焊縫和母材顯微組織如圖3所示，由圖3可知，焊縫中心為微細的等軸晶，晶粒較細小，大小均勻。母材組織呈樹枝狀，晶粒較粗大。這是因為電子束焊接時焊接速度很大，熔池中心的溫度下降很快，使熔池中心成分過冷加大。另外電子束能屬于高能高密度熱源，熔融金屬溫度上升較高，與母材的溫度梯度大，導致冷卻速度較快，從而使焊縫區(qū)形成細小的鑄態(tài)組織。

圖3　焊縫和母材顯微組織Fig.3microstructure of weld bead and base metal

圖4　XRD測試結果Fig.4XRD results of welded joints

2.3X射線衍射分析

對母材和焊縫區(qū)進行X射線衍射分析，結果如圖4所示，母材和焊縫中的物相組成相同，但是物相的含量相差較大，母材中α-Al相的含量比焊縫中含量降低，而焊縫中AlFe3相的含量比母材增加，Al6CuMg4相的含量相差不大。這是因為在焊接過程中，焊縫中添加了純鋁1060，因此焊縫中Al的含量增加；另一方面由于電子束焊接在高速電子束的撞擊中產生大量的金屬蒸氣，因此焊縫中合金元素的燒損較嚴重，Mg的沸點為1 380 K，且Mg的沸點與Al的熔點（933 K）僅差447 K，所以在高溫熔池中Mg元素將有一部分成為金屬蒸氣并逸出熔池，也就是Mg元素發(fā)生了燒損，因此焊縫中Mg的含量降低較大。另外在電子束焊時不管是熱傳導焊還是深熔焊，焊縫中心軸線的溫度都高于焊縫邊緣，越靠近熱影響區(qū)，溫度越低，因此在電子束焊時Mg元素的蒸發(fā)首先從焊縫中部開始，所以焊縫中Mg元素的燒損在中心軸線上比在熔池邊緣要高，從而造成了焊縫區(qū)和母材的物相含量相差較大。

2.4顯微硬度測試

硬度是金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕和劃痕的能力，是衡量金屬軟硬程度的一種指標。通常情況下，材料硬度越高，其強度越大。鋁合金焊接接頭的力學性能，可以用硬度值的變化間接反映。焊接接頭顯微硬度測試曲線如圖5所示，由圖5可知，焊縫區(qū)顯微硬度明顯低于5A06母材，這是由于在電子束焊接中，能量密度大，焊縫區(qū)內Mg的燒損較大，Mg和Mn的含量明顯低于母材，而Al的含量比母材高，Mg是5A06的主要合金成分和強化元素，Mg在5A06中主要起強化作用，Mn可以提高合金強度和耐蝕性，導致了焊縫區(qū)的硬度比母材偏低。

圖5　焊接接頭顯微硬度分布Fig.5Microhardness of welding joint

3　結論

（1）采用焊接工藝參數（加速電壓40 kV、聚焦電流245.8mA、電子束流38mA、焊接速度77mm/min；帶掃描）焊接的整批產品，經過X射線探傷，焊縫內部無裂紋、夾渣、無氣孔等焊接缺陷，其焊縫外觀、內部質量、熔深均滿足產品的使用要求。

（2）采用焊接加速電壓40kV、電子束流38mA、焊接速度77 mm/min得到的焊接接頭，焊縫中Mg燒損較小，但焊接接頭中焊縫區(qū)硬度較母材降低。

（3）在焊接接頭中焊縫區(qū)和母材的相組成基本相同，為α-Al，Al6CuMg4和AlFe3，但是焊縫中α-Al和AlFe3相比母材明顯增多。

[1]汪興均，黃文榮，魏齊龍.電子束焊接5A06鋁合金接頭Mg元素蒸發(fā)燒損行為分析[J].焊接學報，2006，27（11）：61-67.

[2]左玉婷，王鋒，熊柏青.電子束焊噴射成形Al-Zn-Mg-Cu合金的組織性能研究[J].稀有金屬，2010，34（4）：624.

[3]Yi Luo，Hong Ye，Changhua Du，et al.Influence of focusing thermal effect upon AZ91D magnesium alloy weld during vacuum electron beam welding[J].Vacuum，2011（10）：1262.

5A06 welding process and property

CHEN Wenjing1，FAN Haolin2，CHEN Qunyan3
（1.School of Material Science and Engineer，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.School of Xihua，Xihua University，Chengdu 610039，China；3.Mechanical and Electrical Engineering Department，Shandong Vocational College of Industry，Zibo 256414，China）

Use electron beam welding process to weld 5A06 aluminum alloy，visual inspection，nondestructive testing，microhardness testing and X-ray diffraction analysis are conducted to the obtained welded joints，microstructure of the weld zone，base metal and property of welded joints are analyzed.The results show that，use the selected welding process parameters(accelerating voltage：40 kV，focus current：245.8 mA，electron beam：38 mA，welding speed：77 mm/min-strip scanning)to weld the entire batch of products，after X-rays welding test to welded joints，there are no cracks，slag welding or porosity defects in weld bead，and all its weld appearance，internal quality and deep penetration can meet the technical requirements for products.There is rarely Mg burning in weld bead. Hardness value of weld zone metal of welded joint is lower than that of base metal.In addition，weld bead metal phase structure is basically the same with that of base metal，but phase composition of Al and AlFe3in weld bead increases significantly.Weld appearance，internal quality and penetration can satisfy the requirements of the use of the product.

5A06 aluminum alloy；welded joints；microstructure；performance

TG457.14

A

1001－2303（2016）03－0148-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.31

2015－05－21

四川省教育廳資助項目（11ZA006）

陳文靜（1971—），女，四川內江人，碩士，高級工程師，主要從事焊接工藝及焊接接頭性能的研究。