A356鑄件與6082型材的焊接工藝

吳玲， 趙磊， 于瑞海， 周喆， 宋利剛， 于樹洪

(1.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004；2.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇島 066000；3.濱州盟威戴卡輪轂有限公司，山東 濱州 256602)

0 前言

鋁合金是傳統(tǒng)的金屬材料，由于其較小的密度和較高的強度，廣泛地應(yīng)用于機電、汽車、航空、航天等領(lǐng)域。因此，鋁合金零部件的加工工藝，向著輕量化、精密化及整體化方向轉(zhuǎn)變[1]。

隨著國家碳中和的要求提出，在汽車制造工業(yè)中，很多大型結(jié)構(gòu)件由傳統(tǒng)的黑色金屬整體鑄件被鋁合金、分體式焊接構(gòu)件所代替[2]。這是因為，焊接零件可以快速地將零散件加工成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，可以大大地節(jié)省復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造成本；其次，盡管在焊縫處會出現(xiàn)強度軟化、存在缺陷等現(xiàn)象[3]，經(jīng)過大量的靜態(tài)疲勞試驗及理論驗證，焊接件的力學(xué)性能，完全可以代替復(fù)雜整體成形結(jié)構(gòu)件。但是，針對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的動態(tài)疲勞性能試驗，還有些不足。為了快速獲得針對A356鑄件與6082型材，穩(wěn)定可靠的MIG焊接制造工藝，同時滿足焊接件在靜態(tài)、動態(tài)條件下不失效，查閱了大量的焊接工藝文獻作為參考[4]。

文中對A356鑄件與6082型材進行3種不同焊接工藝參數(shù)的焊接試驗，分析試驗結(jié)果，獲得材料焊接后的熔深、力學(xué)性能、疲勞壽命等數(shù)據(jù)，從而確定最佳的焊接工藝參數(shù)。

1 試驗

1.1 A356及6082鋁合金

A356鋁合金，其Si元素含量較高，鑄造性能良好，具有較好的強度與機械加工性能，被廣泛應(yīng)用于鑄造領(lǐng)域[5]；6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系合金，主要適用于板材高溫沖壓領(lǐng)域。試驗中，焊接母材A356鋁合金、6082鋁合金及ER5356焊絲的化學(xué)成分見表1。

表1 A356，6082合金和ER5356焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 試驗方案設(shè)計

為了驗證焊接工藝的可靠性，要通過一系列的試驗方法來驗證。首先，要先進行焊縫的熔深試驗、拉伸試驗及靜態(tài)疲勞試驗；然后，進行動態(tài)疲勞試驗，可以獲得準確的焊接件的疲勞壽命曲線[6]，建立A356鑄件與6082型材焊接件疲勞壽命曲線數(shù)學(xué)模型，可以實現(xiàn)對焊接件的疲勞壽命預(yù)測。

1.2.1試驗試樣取樣原則

從圖1可以看出，A356鑄件與6082型材的焊接位置多為變形過渡區(qū)；所以，從實際零件上獲取拉伸及疲勞試樣非常困難。因此，除熔深試驗的取樣為實際焊接后，從焊接件上直接取樣外，其余試驗試樣均采用A356鑄件和6082型材的板材，采用焊接試驗工藝焊接成形，并且保證焊縫位置處于試樣中間部分；并且去除焊縫余高，目的是減少因焊縫處余高的集中應(yīng)力產(chǎn)生裂紋，造成試驗失效件的增多[7]。

圖1 A356鑄件與6082型材焊縫

1.2.2試驗焊接工藝參數(shù)選擇

焊機型號TPS4000、焊絲φ1.2 mm,A356及6082板厚均為3 mm,V形坡口，MIG工藝參數(shù)見表2。

表2 MIG工藝參數(shù)

根據(jù)工程實際經(jīng)驗及相關(guān)文獻資料可知，焊接電流是鋁合金MIG焊接中最重要的焊接參數(shù)[8]。MIG焊接時，焊接電流一般根據(jù)焊件厚度、焊縫位置以及焊絲直徑來選擇[9]。當(dāng)焊絲直徑確定后，焊接關(guān)鍵工藝參數(shù)還有焊接電流、焊接速度及脈沖修正。因此，設(shè)計MIG工藝參數(shù)選擇表，詳見表3。

表3 MIG工藝參數(shù)

1.3 熔深試驗

按照表3的工藝參數(shù)，要對A356鑄件與6082型材進行焊縫熔深試驗，通過檢測焊縫熔深，確保焊接工藝參數(shù)對2種不同母材均能焊透；試驗方法是對焊接后的接頭焊縫，用V8型ZEISS體視金相顯微鏡，觀察焊縫熔深。針對3種工藝參數(shù)，各取5個熔深試樣樣品，取樣時避讓焊縫起弧與收弧位置。試板焊接完成后，參照標(biāo)準GB/T 26955—2011《金屬材料焊縫破壞性試驗 焊縫宏觀和微觀檢驗》，拍攝宏觀圖片。

1.4 拉伸試驗

進行拉伸試驗的目的是，驗證焊接后試樣的力學(xué)性能。試驗中使用寬度8 mm，厚度3 mm，標(biāo)距30 mm的標(biāo)準試樣，焊縫處做打磨處理，如圖2所示。依據(jù)標(biāo)準GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，使用Z100材料試驗機在室溫環(huán)境下完成拉伸試驗，確定試樣的屈服強度及抗拉強度值。

圖2 拉伸、動態(tài)疲勞試樣

針對表3中的3種工藝參數(shù)，每種工藝參數(shù)各加工10個試樣，拉伸試樣，按照圖2進行加工。在選擇試驗試樣時，所有試樣均經(jīng)過加工去除余高，消除焊縫的應(yīng)力集中影響。

1.5 動態(tài)疲勞試驗

進行動態(tài)疲勞試驗的目的，是為了建立A356鑄件與6082型材焊縫的疲勞壽命數(shù)學(xué)模型,便于對焊接件進行疲勞壽命預(yù)測；進一步，為焊接件的設(shè)計提供準確的動態(tài)疲勞壽命數(shù)據(jù)。試驗采用MTS 810試驗機完成，是采用電液伺服閉環(huán)方式控制的靜、動態(tài)多用途萬能試驗系統(tǒng)。MTS 810試驗機可以完成測試材料靜態(tài)拉伸、壓縮、彎曲性能試驗；高、低周疲勞性能試驗[10]。

針對表3中的3種工藝參數(shù)，每種工藝參數(shù)，同樣各加工5個疲勞試樣，按照圖2進行加工。使用MTS 810試驗機，完成動態(tài)疲勞試驗，并且在每個試樣的兩個軸向表面，粘貼應(yīng)變片進行應(yīng)變采集，應(yīng)變片粘貼在焊縫中間位置，如圖3所示；施加應(yīng)力載荷的波形如圖4所示。應(yīng)變采集儀器，采用日置LR8450數(shù)據(jù)采集儀，可直接連接應(yīng)變片進行應(yīng)力檢測。 采樣頻率最小可以設(shè)置為1 ms，非常適合測量運動部件上的應(yīng)力、應(yīng)變和負載，并且可自由增加多個測量單元。

圖3 應(yīng)力采集試樣

圖4 應(yīng)力載荷

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熔深試驗結(jié)果與分析

根據(jù)標(biāo)準GB/T 26955—2011，焊縫一般要經(jīng)過宏觀和微觀檢驗，宏觀檢驗可用于評定組織與裂紋和孔穴的關(guān)系。

根據(jù)1.2.2所述，對3種工藝參數(shù)焊接后的焊縫，進行焊縫熔深試驗，如圖5所示。通過試驗對比，3種試驗工藝參數(shù)獲得的焊縫熔深，均未出現(xiàn)標(biāo)準GB/T 26955—2011中所列的宏觀缺陷。通過圖5可見，即便是最小的焊接電流，也可以將兩種母材焊透，并且在焊縫處，焊絲完全填滿了母材坡口，母材與焊絲、焊絲與母材焊縫處的過度結(jié)合完美，沒有出現(xiàn)裂紋及孔穴等焊接缺陷。另外，隨著焊接電流的增加，熔深有增加的趨勢；由此，可以說明焊接電流的大小會影響焊縫的熔深[11]，引申到焊接工件時，對于異形過渡區(qū)，母材不均勻處，可以適當(dāng)增加焊接電流，以保證異型母材之間可以焊透，減少焊縫處的焊接缺陷。

圖5 3種工藝下的焊縫熔深

通過熔深宏觀組織圖，可以說明，A356鑄件與6082型材焊縫，經(jīng)過3個工藝焊接后，均未出現(xiàn)標(biāo)準GB/T 26955—2011中所列的宏觀缺陷；隨著焊接電流的增加，1號、2號和3號的熔深呈現(xiàn)出增加的趨勢，圖6為焊接電流與熔深的關(guān)系曲線。

2.2 拉伸試驗結(jié)果與分析

拉伸試驗采用Z100試驗機，在室溫條件下進行，按照1號、2號、3號各取試驗試樣10個； 1號試樣編號為L1,L2,……,L10；2號試樣編號為L11,L12,……,L20；3號試樣編號為L21,L22,……,L30，拉伸試驗結(jié)果詳見表4。

圖6 焊接電流與熔深關(guān)系

從拉伸試驗結(jié)果可以得出，隨著MIG電流從140 A向著160 A增加，A356鑄件與6082型材的力學(xué)性能有提升的趨勢；因為對焊縫進行了去除余高處理，消除了焊縫處集中應(yīng)力，所以焊縫處斷裂現(xiàn)象沒有顯現(xiàn)出來，從拉伸斷裂位置來分析，均處于焊縫與母材交匯的邊緣，并且靠近焊縫中心位置，而且都在標(biāo)距范圍內(nèi)，如圖7所示。另外，從表4可以得出，焊接試驗試樣的力學(xué)性能與兩種母材的力學(xué)性能相比呈現(xiàn)出顯著下降趨勢(A356鑄件屈服強度為238 MPa， 抗拉強度為303 MPa；6082型材屈服強度為302 MPa， 抗拉強度為340 MPa)，強度軟化現(xiàn)象比較明顯[12]。因此，有必要對A356鑄件與6082型材焊接試驗試樣進行動態(tài)疲勞試驗，確定焊接試樣的疲勞壽命。

針對3種工藝做拉伸斷口觀察，如圖8所示。用V8型ZEISS體視金相顯微鏡，對焊縫拉伸斷口進行金相分析。從圖8a可以看出斷口處有大量的亮點存在，而且形貌為圓形，通過辨識可知，1號的拉伸斷口存在大量的氣孔，彌散于整個斷口表面；從圖8b可以看見氣孔多處于試樣的內(nèi)壁邊緣處，沒有析出的狀態(tài)，斷口中心部位氣孔較少；從圖8c可以看見少量的氣孔，而且集中位于內(nèi)壁處，斷口中心部位的氣孔很少。

通常情況下，鋁合金焊接時容易產(chǎn)生氣孔缺陷，氣孔缺陷主要是氫氣氣孔。主要是因為焊接電弧會分解焊縫周圍環(huán)境中及鋁合金表面的殘余物，從而分解出大量不溶于鋁的氫氣，焊縫冷卻速度快，鋁合金熔化結(jié)晶過程中的氫氣會保留在焊縫中，進而形成氣孔[13]。

表4 拉伸試驗結(jié)果

通過拉伸斷口的比對，可以得出結(jié)論，當(dāng)焊接電流小，氣孔較多；當(dāng)焊接電流增大后，氣孔數(shù)量變少，這是因為大電流輸入焊縫的焊接熱量多，延長了液態(tài)鋁的冷卻時間，為氫氣析出創(chuàng)造了有利條件。

圖7 拉伸斷裂試樣

2.3 動態(tài)試驗結(jié)果與分析

為了驗證A356鑄件與6082型材焊接后的疲勞壽命，試驗中，采用常幅應(yīng)力譜的加載方式，將載荷大小變成相應(yīng)的應(yīng)力大小；由圖4可知，應(yīng)力比r=-1,即采用對稱循環(huán)疲勞載荷加載[14]。

根據(jù)拉伸試樣的結(jié)果，確定動態(tài)疲勞試驗的應(yīng)力水平R，分別是140 MPa，130 MPa，120 MPa，115 MPa，110 MPa，100 MPa，每個工藝各取5個試樣進行試驗。

1號試樣編號為D1，D2，……，D5； 2號試樣編號為D6，D7，……，D10；3號試樣編號為D11，D12，……，D15。

按照焊接結(jié)構(gòu)件的固有頻率，選取加載頻率f，為20 Hz，應(yīng)力比r=-1，試樣承受對稱循環(huán)疲勞載荷，試驗加載波形見圖4，試驗在室溫環(huán)境下下進行；試驗結(jié)果見表5。

根據(jù)表5，可以計算出3個焊接工藝，試樣經(jīng)過動態(tài)疲勞壽命試驗后得到的數(shù)學(xué)模型[15]，而且1號、2號和3號的數(shù)學(xué)模型基本一致，見式(1)：

lgR=-0.003 6lgN+8.185

(1)

式中：R為應(yīng)力載荷，MPa；N為循環(huán)次數(shù)，次。

從表5及圖9，可以得出，隨著加載應(yīng)力載荷梯度下降，試驗試樣的循環(huán)次數(shù)顯著增加，而且3個工藝的應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)曲線趨勢基本相同；同時，可以得出，3號的試驗試樣在低應(yīng)力載荷下，其循環(huán)次數(shù)要明顯優(yōu)于1號和2號的試驗試樣。焊接后，低應(yīng)力載荷情況下，大電流焊接件的疲勞壽命會比小電流的焊接件的疲勞壽命有一定的提升，但是在高應(yīng)力載荷下，焊接電流的大小對焊接件的疲勞壽命影響有限，通過試驗驗證，鋁合金焊接會使得焊接件的強度軟化，整體力學(xué)性能下降。

由此，可以得出結(jié)論，在力學(xué)性能允許的前提下，針對A356鑄件與6082型材焊接，在焊接工藝上，可以適當(dāng)采取大電流的工藝參數(shù)。根據(jù)動態(tài)疲勞試驗，可以得出，3個焊接工藝，試驗試樣的疲勞壽命數(shù)學(xué)模型，從而為焊接件的研發(fā)、設(shè)計及日后運行提供了可靠地試驗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

(1)A356鑄件與6082型材焊接，焊接電流在140～160 A范圍內(nèi)，通過金相顯微鏡進行熔深宏觀的觀察，均可以得到符合標(biāo)準要求的熔深；而且隨著電流增加，焊縫熔深的有增加的趨勢。

(2)A356鑄件與6082型材焊接，拉伸試驗中，焊接試樣的力學(xué)性能隨著焊接電流的增加呈現(xiàn)出力學(xué)性能提升的趨勢；通過試驗驗證，而且焊接樣件的力學(xué)性能與母材相比有顯著的降低；但是，適當(dāng)?shù)拇箅娏鲿岣吆附蛹牧W(xué)性能；觀察拉伸斷口，焊接電流越大，斷口處的氣孔越少。

(3)A356鑄件與6082型材焊接，通過動態(tài)疲勞試驗，隨著加載應(yīng)力載荷梯度下降，試驗試樣的疲勞壽命顯著增加；而且3個焊接工藝的應(yīng)力-疲勞壽命曲線基本相同，得到疲勞壽命曲線數(shù)學(xué)模型基本相同，驗證了鋁合金焊接件在力學(xué)性能方面弱化現(xiàn)象十分明顯。

(4)對焊接件在研發(fā)設(shè)計階段，要驗證焊接件的力學(xué)性能，降低焊接件疲勞失效的風(fēng)險；在力學(xué)性能允許的前提下，針對A356鑄件與6082型材焊接，在壁厚3～5 mm范圍內(nèi)，最佳工藝參數(shù)，焊接電流160 A，焊接速度0.15 m/s，脈沖強度修正使用1%。