不同焊絲對(duì)6082鋁合金焊接接頭組織性能的影響

張秀云，吳廣輝，張志堅(jiān)，唐春林

(1湖南聯(lián)誠(chéng)軌道裝備有限公司，湖南株洲412001;2．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412001)

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)外軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，為進(jìn)一步高速化、節(jié)能化，對(duì)軌道交通用材提出越來(lái)越高的要求，鋁合金由于其良好的力學(xué)性能及較小的密度等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用軌道交通行業(yè)［1－2］。6082鋁合金有良好的耐蝕性和加工性能，是目前交通運(yùn)輸車(chē)輛的主要焊接結(jié)構(gòu)材料［1－3］。國(guó)內(nèi)外對(duì)6082鋁合金的研究主要集中在加工工藝、熱處理制度和焊接工藝上［4］。不同焊絲對(duì)6082鋁合金焊接接頭組織性能影響的研究鮮少報(bào)道。目前國(guó)內(nèi)軌道交通車(chē)輛廠家在選擇車(chē)體焊接用鋁合金焊絲方面有兩種不同的方案，部分車(chē)輛廠家選擇使用ER5356鋁合金焊絲，而另一部分車(chē)輛廠家則選擇ER5087鋁合金焊絲。文中以6082鋁合金板材為研究對(duì)象，用ER5356和ER5087兩種鋁合金焊絲對(duì)其進(jìn)行焊接，采用硬度測(cè)試、拉伸性能和顯微組織分析對(duì)比方法研究?jī)煞N焊接接頭的組織和性能，旨在為6082合金的焊接提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基材采用6082-T6鋁合金板材，厚度為12 mm，采用的焊絲牌號(hào)分別為ER5356和ER5087，直徑為 1．6 mm，基材和焊絲主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

將試樣加工成60o的坡口并進(jìn)行焊前處理，用專(zhuān)用打磨工具清除坡口附近的氧化皮，然后采用機(jī)器人進(jìn)行MIG焊，三層三道焊，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。采用數(shù)顯硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭上的硬度分布，焊接接頭在MTS－810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min。采用金相顯微鏡和透射電鏡對(duì)焊接接頭不同部位的微觀組織進(jìn)行觀察和分析。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭硬度分布

沿著焊接接頭橫截面中心線按照ISO 9015－1－2001《金屬材料焊接的破壞性試驗(yàn)硬度試驗(yàn)第1部分:弧焊接頭的硬度試驗(yàn)》取樣并進(jìn)行硬度測(cè)試，焊接接頭硬度分布如圖1所示。結(jié)果表明，兩種焊絲焊接的接頭硬度沿焊縫中心對(duì)稱(chēng)分布，焊接接頭的硬度低于母材的硬度，焊接接頭硬度的最低點(diǎn)位于離焊縫中心14 mm左右的熱影響區(qū)內(nèi)。不同的是焊接接頭上ER5087焊絲焊縫區(qū)的硬度略高于ER5356焊絲焊縫區(qū)的硬度。

圖1 兩種焊絲焊接接頭的硬度分布

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能

按照ISO 4136－2001《金屬材料焊接的破壞試驗(yàn)橫向抗拉試驗(yàn)》進(jìn)行拉伸測(cè)試。拉伸試樣沿垂直于焊縫方向的焊件上切取3組試樣，取其平均值，試樣尺寸為300 mm×37 mm×12 mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，兩種焊接接頭均斷于熱影響區(qū)，ER5087焊絲焊接的接頭強(qiáng)度高于ER5356焊絲焊接的接頭，其抗拉強(qiáng)度比ER5356焊絲接頭高8 MPa，其屈服強(qiáng)度比ER5356焊絲接頭高13 MPa，而斷后伸長(zhǎng)率則基本持平。

2.3 焊接接頭微觀組織

兩種焊絲焊接的接頭微觀組織，如圖2所示。結(jié)果表明，兩種焊絲焊接的焊縫區(qū)和母材區(qū)結(jié)合良好，熱影響區(qū)晶粒組織均呈粗大的柱狀結(jié)晶組織，但ER5087焊絲接頭比 ER5356焊絲接頭晶粒較細(xì)(圖2c)。ER5356焊接的焊縫區(qū)中心呈現(xiàn)部分枝晶狀組織，而ER5087焊接接頭焊縫區(qū)中心呈近似等軸狀晶粒組織，且ER5087焊絲焊縫區(qū)晶粒比ER5356焊絲焊縫區(qū)也相對(duì)較細(xì)(圖2e)。

2.4 焊接接頭不同部位透射電子顯微分析

兩種接頭不同部位的透射電子顯微分析結(jié)果如圖3所示。可以看出，基材由鋁基體固溶體、亞微米級(jí)的短棒狀相和針片狀析出相β'(Mg2Si)三種物相組成，如圖3a～3b所示。能譜分析表明，短棒狀相是含Cr和Mn的初晶相，電子衍射表明這種針片狀析出相為β'相(圖3d)。兩種焊絲焊接的焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織差別不大，β'析出相明顯粗化，如圖3d箭頭所示。兩種焊絲焊接接頭的焊縫區(qū)顯微組織分別如圖3e和圖3f所示，焊縫的顯微組織均接近單相固溶體組織，其中ER5087焊絲焊縫晶粒比較細(xì)，晶內(nèi)可見(jiàn)一些含Zr元素的質(zhì)點(diǎn)。

表3 兩種焊接接頭的力學(xué)性能

圖2 兩種焊接接頭微觀組織

圖3 焊接接頭不同部位微觀組織

3 分析與討論

3.1 焊接接頭上不同部位的顯微組織特點(diǎn)

焊接過(guò)程中，焊絲在電弧作用下溫度高達(dá)1 400～1 600℃［5］，在V形坡口處熔化凝固成焊縫。母材受焊接高溫?zé)崃康挠绊?，從坡口邊緣向母材方向依次?huì)發(fā)生局部熔化、固溶處理、過(guò)時(shí)效處理等過(guò)程。焊件冷卻時(shí)，焊接熱量沿母材方向和沿焊件下方的鋼制平臺(tái)方向傳導(dǎo)，因金屬導(dǎo)熱系數(shù)高，相應(yīng)的冷卻速度也很高，焊縫與基材的交界區(qū)域沿散熱方向依次出現(xiàn)快速凝固、淬火等過(guò)程。因此，焊接接頭焊縫兩側(cè)依次會(huì)形成半熔化區(qū)、淬火區(qū)和過(guò)時(shí)效區(qū)。

3.2 力學(xué)性能分析

6082合金為固溶T6時(shí)效狀態(tài)，母材的強(qiáng)化機(jī)制為固溶強(qiáng)化、Cr和Mn的初晶相強(qiáng)化以及β'(Mg2Si)相析出強(qiáng)化。如上所述，焊接加熱時(shí)，母材受焊接熱量的影響，從焊縫向母材方向依次會(huì)發(fā)生局部熔化、固溶處理、過(guò)時(shí)效處理等過(guò)程，之后過(guò)渡到基體區(qū)。靠近焊縫的淬火區(qū)，溫度很高，基材發(fā)生重新固溶變?yōu)楣倘荏w，半熔合部位既不是焊絲的成分，也不是原始基材的成分，而是焊絲與基材金屬形成的一種交混合金。從試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，兩種焊接接頭的半熔合部位均在靠焊縫側(cè)出現(xiàn)晶粒粗化現(xiàn)象(圖2)，因此該區(qū)域可能成為焊接接頭的一個(gè)薄弱地帶(距焊縫中心10～14 mm之間，離焊縫中心越遠(yuǎn)，其硬度越低)。介于淬火區(qū)和基材區(qū)之間的區(qū)域，因溫度低于合金的固溶溫度但高于基材T6處理時(shí)的時(shí)效溫度而發(fā)生過(guò)時(shí)效。時(shí)效析出的晶粒相對(duì)粗化，使該區(qū)域發(fā)生了軟化現(xiàn)象，但其硬度仍比半熔合部位高(距焊縫中心14～30 mm之間，其硬度逐漸升高)。因此，拉伸斷裂時(shí)，斷口位于熱影響區(qū)的半熔合部位。

焊縫的強(qiáng)化來(lái)源于細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和彌散相強(qiáng)化，因此可利用細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和初晶相彌散強(qiáng)化來(lái)提高焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。兩種焊絲中較高的鎂含量保證了焊縫金屬的固溶強(qiáng)化。ER5087焊絲中含有Zr元素，微量的Zr元素使得焊縫凝固過(guò)程中會(huì)優(yōu)先析出一次初生的Al3Zr相質(zhì)點(diǎn)，初生Al3Zr粒子為四方 DO23型結(jié)構(gòu)，a=0．401 3 nm ，c=1．732 nm ，與 Al晶體結(jié)構(gòu)極為相似，這種質(zhì)點(diǎn)是α(Al)結(jié)晶時(shí)的理想晶核［6］，可以起到非均質(zhì)晶核的作用，熱影響區(qū)半熔合部位及焊縫區(qū)晶粒組織得以細(xì)化。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在熱影響區(qū)的半熔合部位ER5087焊絲接頭相比ER5356焊絲接頭晶粒較細(xì)。而晶粒細(xì)化強(qiáng)化了焊接接頭的力學(xué)性能，提高了焊接構(gòu)件在服役過(guò)程中的安全性。

4 結(jié)論

(1)由于ER5087焊絲中微量Zr元素細(xì)化了焊縫晶粒，ER5087焊接接頭焊縫區(qū)晶粒相對(duì)于ER5356焊接接頭焊縫晶粒較細(xì)。

(2)ER5087焊絲焊接的焊縫硬度高于ER5356焊絲焊接的焊縫硬度。ER5087焊絲焊接的接頭比ER5356焊絲焊接的接頭平均強(qiáng)度高，但其斷后伸長(zhǎng)率則相近。