林文志

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350001)

1 研究背景

隨著科技日新月異，人類對于新材料需求越來越大。鋁合金因自身具有的化學性質(zhì)活潑、高電導率和熱導率、低密度、高比強度、高比剛度、良好的成型性、良好的高溫性能以及耐腐蝕性，越來越受到青睞。6061鋁合金作為優(yōu)秀的鋁合金材料，具有中等的強度、良好的抗腐蝕性、可焊接性，氧化效果較好。在實際生產(chǎn)中有著廣泛的應用。

因鋁及鋁合金的理化特性使其焊接工藝與鋼有許多不同之處：

1)鋁及鋁合金的表面氧化膜可妨礙焊接及釬焊過程的進行或引發(fā)一些與其相關(guān)的缺陷。

2)由于其比熱、電導率及熱導率很高，焊接時，熱量會很快地通過材料傳遞到基體材料中，所以會導致在焊接接頭部位產(chǎn)生熱量不足，從而造成未熔合以及未焊透。

3)由于其線膨脹系數(shù)較大，為23.5×10-6℃，為鋼材的兩倍左右，凝固體積收縮率高達6.5%～6.6%。

4)由于在焊鋁時的溫度的變化不會引起焊件明顯的顏色變化，全憑焊工的經(jīng)驗，故焊接操作有一定的難度。

目前，鋁及鋁合金的焊接技術(shù)已經(jīng)有了長足的進步?，F(xiàn)已廣泛采用氬弧焊[1]、氦弧焊、等離子弧焊等多種特種焊接方法。有些歷來被視為不可焊的鋁合金，如Al-Cu-Mg，Al-Cu-Mg-Si，Al-Zn-Mg，Al-Li等硬鋁及超硬鋁合金，通過新方法及特殊焊接材料的配合，已成為可焊的鋁合金并制成高新產(chǎn)品[2]。

基于上述分析，焊接方法與焊接工藝參數(shù)對鋁合金的焊接接頭的質(zhì)量(焊件變形、焊縫氣孔、焊接裂紋等)起了至關(guān)重要的作用。本文旨在尋求在熔化極氬弧焊條件下，工藝參數(shù)對6061鋁合金的焊接性能的影響。對6061鋁合金的焊接性以及焊接參數(shù)的研究可以減少焊接接頭的缺陷，對6061鋁合金在實際生產(chǎn)中的應用有著非常重要的意義。

2 研究步驟、方法及措施

2.1 選材

本次試驗所用焊接母材為6061鋁合金(抗拉強度：280 MPa～310 MPa，斷后延伸率：25%)。主要化學成分為：Si(0.4 ～0.8)，Cu(0.15～0.4)，Mg(0.8～1.2)，Zn(0.25)，Mn(0.15)，Ti(0.15)，Cr(0.04～0.35)，F(xiàn)e(0.7)。

根據(jù)本次試驗材料的厚度尺寸，選用V型坡口作為對接焊口，鈍邊及底部間隙均為3 mm。按標準測試試驗進行試件取樣：拉伸試樣、硬度/組織觀察試樣。

2.2 焊接工藝參數(shù)設(shè)置

焊絲清洗：選用焊絲為未開封狀態(tài)，可以不用清洗[3]。坡口的清洗：用丙酮除油污，用刮刀刮掉氧化膜，干燥，位置包括坡口部位和坡口兩側(cè)各20 mm左右的地方。電弧電壓的選擇：電弧電壓與焊絲直徑、保護氣體、焊接電流及弧長有關(guān)。根據(jù)焊接電流的大小選擇合適的電弧電壓，使6061鋁合金在焊接過程中保持亞噴射過渡。焊接速度：焊接速度與零件厚度、焊接電流、電弧電壓等密切相關(guān)[4]。因在實際操作中不容易控制焊接速度，只能根據(jù)焊接師傅的經(jīng)驗來焊接，故不研究此參數(shù)。焊接接頭位置的選擇：平焊。

根據(jù)實際情況，合理地選擇9組參數(shù)組合,見表1。

表1 焊接參數(shù)

2.3 試驗方法

焊接接頭微觀形貌觀察方法：主要借助金相顯微鏡進行金相顯微觀察。焊接接頭拉伸試驗方法：焊接好銑去余高，取樣，依據(jù)GB 2649—89焊接接頭機械性能試驗取樣方法及GB/T 228—2002金屬材料室溫拉伸試驗方法設(shè)計拉伸試樣形狀尺寸。加工后分別在萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min[5-6]。

焊接接頭硬度測試方法：清理試樣表面，并根據(jù)試樣的材料、厚度和硬度范圍選擇載荷F為300g、保壓時間為10 s。把試樣放在工作臺上，根據(jù)維氏硬度的操作規(guī)程進行試驗，取每個區(qū)域的平均值作為最終結(jié)果。硬度試樣如圖1所示。

2.4 試樣分組編號

按照表2試樣分組規(guī)則進行試樣分組，其他依此類推。

表2 試樣分組規(guī)則

3 焊接接頭的性能試驗結(jié)果與討論

3.1 焊接接頭的微觀組織形貌

在此次試驗中選擇具有代表性的A3，E3，I3三個試樣進行金相的觀察，焊接參數(shù)如表3所示。

表3 試樣參數(shù)

以上三個試樣制作完成后，放在金相顯微鏡下進行觀察，焊接接頭的各個區(qū)域照片如圖2～圖4所示。

圖2～圖4均在放大100倍后拍攝。圖2中熱影響區(qū)，焊前母材的強化相Mg2Si和雜質(zhì)相FeAl3，α(Al12Fe3Si)，β(A19Fe2Si2)等是以質(zhì)點的形式彌散地分布于基體中的，且尺寸較小。焊后，晶粒伸長、變形，逐漸延伸成板條狀，尺寸增大[7]。一般熱輸入越大，變形則越大，直至組織成纖維狀，具有明顯的方向性。

圖2中熔合區(qū)區(qū)域最明顯的特征是它的聯(lián)生結(jié)晶，從照片中可以明顯看出，在焊接的過程中，整個焊縫在冷卻過程中以熔合線上局部半熔化的晶粒為核心向內(nèi)生長，生長方向為散熱最快方向，最終成長為柱狀晶粒。晶粒前沿伸展到焊縫中心，呈柱狀鑄態(tài)組織。

圖2中焊縫區(qū)域，從圖2中可以看出右半部區(qū)域晶粒形狀大小較均勻，為等軸晶。因此，此次試驗所用的焊絲為鋁硅焊絲(ER4043)，是一種通用性較大的鋁硅合金焊絲，Si的質(zhì)量分數(shù)在4.5%～6.0%左右，在Al-Si二元系合金中，Si的共晶點成分為11.7%，由此可判斷焊縫中心區(qū)域的組織為初生α 相+(α+Si)共晶相。同時可以看出，左半部比較靠近熔合區(qū)的區(qū)域與右半部晶粒形態(tài)不一樣。右半部為等軸晶，左半部為柱狀晶，有的晶粒長得比較長而有的長得比較短小，這種現(xiàn)象為晶粒的擇優(yōu)生長。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是在熔池與母材的交界處，母材晶粒的生長方向是各向異性的，如果它的生長方向恰好處于散熱最快的方向，晶粒則長得較快，占據(jù)較大的空間，而如果生長方向散熱較慢，則晶粒生長較慢，生長空間不足，所以看起來比較短小。

觀察圖3,圖4后發(fā)現(xiàn)，E3和I3的焊接接頭顯微組織與A3大同小異，組織成因也一一對應，故不再贅述。

3.2 力學性能試驗結(jié)果討論

3.2.1 拉伸試驗結(jié)果

拉伸試驗結(jié)果按照表4記錄規(guī)則進行記錄存檔，其他依此類推。

表4 拉伸試驗結(jié)果

為了研究電流對焊接接頭強度的影響，選擇D，E，F(xiàn)，G組結(jié)果進行分析(見表5)。

表5 對比結(jié)果(一)

結(jié)合表4,表5可以看出，除未熔合的試樣外，其他試樣的焊接接頭的抗拉強度在50%以上。隨焊接電流的增大，焊接接頭的抗拉強度在逐漸降低，并且電流增大會逐步降低焊縫及熱影響區(qū)的韌性，使之變脆，所以越到后邊大電流的試樣，更容易在焊縫處發(fā)生斷裂。而延伸率保持在80%～90%左右，說明電流對焊接接頭延伸率的影響不大。再觀察在焊縫處斷裂的試樣，其抗拉強度和延伸率一般都發(fā)生突變，大幅度地降低。

選擇C，D，H組結(jié)果進行分析，研究不同角度下的焊接坡口對焊接接頭強度的影響(見表6)。

表6 對比結(jié)果(二)

結(jié)合表4，表6可以看出，除因未熔合而在焊縫處斷裂的試樣外，各個試樣的抗拉強度均處在53%左右，且延伸率也在80%～90%范圍。事實上，坡口的設(shè)計初衷主要是為了保證能焊透工件，根據(jù)工件厚度來選擇合理的坡口角度，所以坡口角度對焊接接頭的影響不明顯。

最后選擇在相同的焊接電流和坡口角度下，將B，C兩組結(jié)果進行分析對比，不同厚度的板材焊接完成后焊接接頭的情況(見表7)。

表7 對比結(jié)果(三)

從表4和表7可看出，雖然焊接電流與坡口角度都相同，但10 mm厚的C組出現(xiàn)了兩組在焊縫處的斷裂，再結(jié)合E組(180 A，10 mm)的試驗結(jié)果，相對于C組，抗拉強度與延伸率都不同程度提高了，說明C組在焊縫處的斷裂是因為焊接電流過低導致焊縫金屬中存在著未熔合。

3.2.2 焊接接頭的硬度分布

硬度是十分重要的衡量材料力學性能強度的指標。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，焊縫中心處硬度較高，硬度分布總是在離焊縫中心10 mm～15 mm的位置處出現(xiàn)一個下降點，隨后又緩慢上升。這是因為在焊縫中心處的晶粒較焊縫邊緣更細小，焊絲中的合金元素在焊縫中形成強化相，提高焊縫中心的硬度。而在離焊縫中心10 mm～15 mm處于熱影響區(qū)，焊接熱輸入使熱影響區(qū)金屬軟化，因此硬度較低，抗拉強度也相應降低。隨著離焊縫中心距離變遠，焊接熱輸入也逐漸減小，硬度也緩慢上升，直至母材的硬度水平。

3.3 拉伸斷口分析

本次試驗選取具有代表性的A6，E4，Ⅰ6三個試樣用掃描電鏡進行觀察(見圖5～圖7)。

從圖5中宏觀照片可知，在焊縫處斷裂，未產(chǎn)生較大塑性變形，延伸率2.5%，故可初步判斷斷裂方式為脆性斷裂。同時，斷口存在韌窩，且韌窩周圍摻雜一些夾雜(白色物體)，單韌窩數(shù)量較少，還有準解理面存在，故此斷口為韌窩-準解理斷裂。

從圖6中宏觀照片可知，在焊縫處斷裂，且無頸縮現(xiàn)象，其延伸率為9.0%，初步判斷其為脆性斷裂。同時存在韌窩，河流花樣說明了它是解理斷裂，故此斷口斷裂方式為韌窩-解理斷裂。

根據(jù)圖7中宏觀照片，切其延伸率為5.0%，可以初步判斷此斷裂方式為脆性斷裂，再對比其微觀形貌，未觀察到明顯的韌窩存在，但可觀察到解理斷裂，故此斷口斷裂方式為脆性解理斷裂[8]。

4 結(jié)論

通過制定不同的工藝參數(shù)，全面地研究了焊接接頭的抗拉強度、延伸率、維氏硬度，并通過金相顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織，并對拉伸斷口形貌進行觀察，并針對出現(xiàn)的一些焊接缺陷做出分析并給出了解決辦法，得出以下結(jié)論：

1)D2試樣(坡口角度50°，焊接電流170 A，母材厚度為10 mm)焊接接頭無焊接缺陷，其極限抗拉強度為173 MPa，為母材的57.7%，且延伸率為22.5%，達到母材的90%。

2)在除去出現(xiàn)焊接缺陷的試樣外，此次研究所焊接的試樣抗拉強度和延伸率均能達到50%以上。

3)通過拉伸斷裂位置和硬度分布可以得出，熱影響區(qū)(HAZ)受熱軟化，抗拉強度降低，硬度也降低。

4)在坡口角度為50°，厚度為10 mm的試樣中，焊接電流在170 A～200 A的范圍內(nèi)，增大焊接電流，試樣的抗拉強度將降低；電流過小是產(chǎn)生未熔合的根本原因。

5)坡口角度對焊縫力學性能的影響不大，在實際生產(chǎn)中，應根據(jù)工件厚度來選擇合理的坡口角度。

6)熱影響區(qū)、熔合區(qū)、焊縫邊緣以及焊縫中心的晶粒形狀各不相同，依次為條狀強化相、柱狀晶、等軸晶。且根據(jù)Al-Si二元系相圖，Si的共晶點成分為11.7%，由此可判斷焊縫中心區(qū)域的組織為初生α相+(α+Si)共晶相。