2A12鋁合金預置裂紋脈沖電流處理初探

王立偉， 毛亞寧， 王守勇， 梁志敏， 汪殿龍

(1.河北科技大學, 石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術重點實驗室，石家莊 050018)

創(chuàng)新點： (1)采用錘擊法預制裂紋，與實際產(chǎn)生的裂紋更為接近。

0 前言

2A12是可熱處理強化的鋁合金[1-2]，經(jīng)固溶處理，自然時效或人工時效后具有較高的強度[3]。2A12鋁合金本身的成形和機械加工性能較為良好，能獲得各種類型的制品，是最廣泛應用的鋁合金之一。在鋁合金焊接生產(chǎn)過程中，應當采用合理的焊接工藝，控制金屬產(chǎn)品中的裂紋[4]。在鋁合金部件生產(chǎn)、使用過程中，對產(chǎn)品進行無損檢測，及時發(fā)現(xiàn)試件中存在的裂紋，使用合適的手段，降低裂紋擴展速度，甚至使裂紋停止擴展，可以有效延長金屬產(chǎn)品的使用期限。對于某些有較高性能要求的特殊工件，減少鋁合金工件中的裂紋或止裂可以有效提升金屬的性能。相比激光成形修復、熱愈合等裂紋修復方法[5-7]，電脈沖止裂法操作簡單，處理時間短，而且對工件的整體性不會造成破壞。脈沖放電瞬間，由于裂紋導致的電流繞流集中現(xiàn)象非常明顯，這種效應使得裂紋前緣小范圍瞬間集中產(chǎn)熱，足以使材料熔化，鈍化裂紋尖端，減少甚至消除裂紋前緣處的應力集中，達到止裂的目的[8]。甚至在強大的熱壓應力的作用下，可以達到使裂紋愈合的效果。目前由于受脈沖電流設備功率等條件限制，國內(nèi)外學者所進行的脈沖電流處理研究多是在厚度小于2 mm薄板上面進行的[9-11]。

試驗對厚度為1 mm的2A12鋁合金提前使用錐形工具預制裂紋，使用不同電流密度的脈沖電流對其進行裂紋修復處理。經(jīng)過前期試驗，將脈沖峰值電流分別確定為295 A，410 A和656 A，電壓為4 V，電流頻率為50 Hz，基值電流為0 A，占空比為0.5。試驗完成后觀察鋁合金式樣裂紋愈合情況，對比不同試驗參數(shù)下試件硬度的變化趨勢和抗拉強度，分析力學性能發(fā)生變化的原因，為2000系鋁合金的裂紋修復提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用2A12鋁合金，成分見表1。使用線切割制作試件，尺寸為54 mm×20 mm×1 mm，如圖1所示。試件的一側開V形坡口，將錐形工具固定在V形坡口處，用錘子向其均勻施力，錘擊數(shù)次，預制出深度一致的裂紋。

表1 2A12鋁合金各成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 2A12鋁合金試件示意圖

1.2 試驗方法

如圖2所示，試驗中預制裂紋試件分為2組，每組為3個試件。其中，使用如圖2a所示UN1-1型對焊機對4號、5號和6號、試件6分別通以峰值電流分別為410 A，295 A和656 A的脈沖電流進行裂紋修復，電流頻率皆為50 Hz，基值電流皆為0 A，占空比皆為0.5，另一組試件不作任何處理，試件編號分別為1，2和3。夾持裝置如圖2b所示，使用UN1-1型對焊機夾持試件時只使用電極對試件進行夾持固定，在垂直于裂紋方向沒有作用力。使用Keller試劑對2組試樣進行腐蝕，使用DM28金相顯微鏡觀察裂紋尖端顯微組織及愈合情況；使用THV-1MD自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯硬度計測量試件硬度的變化趨勢，載荷力為4.9 N，加載時間為10 s，相鄰2個硬度采樣點間距0.5 mm；拉伸試驗采用CSS-1110電子式拉力試驗機，加載速率1 mm/min。

圖2 UN1-1型對焊機

2 試驗結果及討論

2.1 金相試驗分析

使用UN1-1型對焊機對4號、5號和6號試件脈沖電流處理前后裂紋尖端處的顯微組織如圖3a～圖3f所示，圖3g為預制裂紋宏觀圖。脈沖電流處理前，4號試件裂紋尖端顯微組織圖如圖3a所示，經(jīng)過如圖4a所示峰值電流為410 A，電壓為4 V的脈沖電流處理1.5 s后，其微觀組織圖如圖3b所示。由脈沖電流處理前后裂紋尖端顯微組織的對比圖可以看出，脈沖電流處理后，裂紋左右兩端面的面間距減小，呈現(xiàn)出愈合的趨勢。通過測量圖3a中C和D兩點間距在脈沖電流處理前后的變化得出，裂紋延伸區(qū)左右兩端面的面間距從35.84 μm縮小至33.13 μm。在裂紋尖端處和面間距較小的部分區(qū)域，裂紋達到了完全愈合的效果，通過測量圖3a中A和B兩點之間的距離，裂紋長度從137.85 μm縮短至127.42 μm。在裂紋尖端處和面間距較小的部分區(qū)域，裂紋達到了完全愈合的效果。對比圖3a和圖3b中E和F兩個區(qū)域可以觀察到試件在裂紋尖端和延伸區(qū)面間距較小的區(qū)域出現(xiàn)部分熔化現(xiàn)象。試件5脈沖電流處理參數(shù)為峰值電流295 A，通電時間1.5 s，電壓4 V，波形圖如圖4b所示。其脈沖電流處理前的顯微組織圖如圖3c所示，脈沖電流處理后的顯微組織如圖3d所示。由于該裂紋左右兩端面的面間距較小，經(jīng)脈沖電流處理后裂紋尖端部分區(qū)域達到愈合狀態(tài)。試件6脈沖電流處理參數(shù)為如圖4c所示，峰值電流656 A，通電時間2.25 s，電壓2 V。其脈沖電流處理前的顯微組織圖如圖3e所示，脈沖電流處理后的顯微組織如圖3f所示，該預制裂紋兩端面間距較小，經(jīng)過脈沖電流處理后裂紋雖然未出現(xiàn)完全愈合區(qū)域，但裂紋整體面間距減小，左右兩端面間距平均減小4.16 μm。2A12鋁合金中預制裂紋裂紋經(jīng)過不同參數(shù)脈沖電流處理后均得到不同程度的愈合，在裂紋尖端區(qū)域更加明顯。在脈沖電流處理后試件宏觀未發(fā)生明顯塑性變形。隨著脈沖峰值電流和處理時間增加，裂紋兩側面間距減小幅度增大。當峰值電流過大或處理時間過長時，裂紋愈合效果反而減弱。這是由于試件處理過程中在裂紋尖端產(chǎn)生繞流集中效應，溫度瞬間升高，試件在快速加熱時，其膨脹過程與其升溫不同步，金屬的膨脹速度落后于溫度提升速度，金屬中產(chǎn)生的熱壓應力對裂紋的愈合程度大于撕裂效應，其結果表現(xiàn)為愈合。當溫度降低較快時，撕裂效應增加，愈合效果變差[12]。

圖3 2A12鋁合金裂紋尖端顯微組織

圖4 脈沖電流波形示意圖

2.2 硬度試驗分析

3個未脈沖電流處理試件硬度如圖5a所示，其中1號試件和3號試件隨距裂紋尖端距離的增加首先呈現(xiàn)上升趨勢，1號試件1硬度由149 HV上升到160 HV，3號試件硬度由158 HV上升到161 HV，2號試件隨著距離增加首先呈現(xiàn)下降趨勢，硬度由132 HV下降到122 HV。之后1號試件和3號試件隨距裂紋尖端距離增加呈現(xiàn)下降趨勢，硬度分別下降到151 HV和159 HV，2號試件隨著距離增加硬度上升到143 HV。隨距離繼續(xù)增加，3個試件均呈現(xiàn)下降趨勢，其中2號試件和3號試件硬度降到130 HV左右，1號試件硬度達到140 HV左右。之后3個試件均呈現(xiàn)上升趨勢，最終試件，1號、2號和3號試件的硬度分別穩(wěn)定在145 HV，142 HV和150 HV左右。硬度的變化是因為試件在試驗前經(jīng)過多次加工，并且在預制裂紋時金屬局部發(fā)生形變，試件在裂紋處堆積了大量位錯。堆積的位錯強化金屬，使其強度與硬度提高，但塑性和韌性有所下降[13]。試件隨著距裂紋尖端距離的增加，硬度出現(xiàn)下降趨勢。由于裂紋為人工預制，故裂紋尖端存在細小裂紋，造成了裂紋尖端處硬度減小。

脈沖電流處理后裂紋尖端硬度值如圖5b所示。經(jīng)電脈沖處理后的3個試件裂紋尖端區(qū)域硬度值均下降到75 HV左右。原因是UN1-1型對焊機對試件電脈沖處理時在裂紋尖端產(chǎn)生繞流集中效應，溫度瞬間升高，達到了鋁合金熔點，裂紋尖端熔化。冷卻過程中裂紋尖端附近的金屬還沒有補充到裂紋尖端已經(jīng)熔化的區(qū)域，試件就已經(jīng)冷卻至固態(tài)。之后隨著距裂紋尖端距離的增加，4號試件硬度從129 HV大幅下降到103 HV，5號試件硬度從125 HV小幅下降到122 HV，6號試件硬度從120 HV小幅上升到124 HV。之后隨著距離裂紋尖端距離的增加，4號試件和5號試件硬度值呈現(xiàn)波浪形趨勢，最終2個試件硬度值穩(wěn)定在125 HV左右。6號試件同樣呈現(xiàn)波浪形變化，最終硬度值穩(wěn)定在120 HV左右。

脈沖電流處理前后裂紋尖端硬度值如圖5c所示。脈沖電流處理前裂紋尖端硬度值可以達到145 HV，脈沖電流處理后裂紋尖端硬度值只有75 HV。之后隨著距離裂紋尖端距離增加，脈沖電流處理后試件硬度值下降了5 HV，脈沖電流處理前試件上升了5 HV。之后隨著距離裂紋尖端距離的增加，脈沖電流處理后的試件硬度值趨于125 HV左右。脈沖電流處理前試件的裂紋尖端處硬度值隨著距離的增加呈現(xiàn)下降，最低硬度值下降到130 HV，之后呈現(xiàn)上升趨勢。從圖5c中可以看得出來，試件脈沖電流處理前硬度值始終大于試件脈沖電流處理后硬度值。原因是在未熔化區(qū)域脈沖電流在試件中產(chǎn)生焦耳熱效應所帶來的溫度提升使試件金屬發(fā)生回復與再結晶，內(nèi)應力消除，試件硬度降低[14]。

圖5 2A12鋁合金裂紋尖端區(qū)域硬度分布曲線

2.3 拉伸試驗分析

該試驗試件為非標準件，GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗方法》中并未涉及到該試件的拉伸試樣，故選擇直接將試件裝卡在夾具上，設置拉伸速度為1 mm/min進行拉伸試驗。試驗結果如圖6所示，裂紋修復前1號2號和3號試件的抗拉強度分別為259.7 MPa，265.9 MPa和293.5 MPa，平均抗拉強度是273 MPa，斷裂位置均為裂紋尖端。裂紋修復后，4號、5號和6號試件抗拉強度分別為262.4 MPa，285.4 MPa和297.4 MPa，平均抗拉強度是281.7 MPa。斷裂位置均為裂紋尖端。經(jīng)過脈沖電流修復裂紋后的試件在抗拉強度比未脈沖電流修復裂紋的試件提高8.7 MPa。

圖6 不同試驗條件下試件抗拉強度

高密度的脈沖電流對金屬塑性的影響目前可被認為電阻熱和電子風力的影響，使用適當電流密度的電脈沖處理時，金屬試件存在定向運動的自由電子給金屬中的位錯提供能量，帶動位錯移動[15]。位錯在電子推動下比平時更容易移動，這是由于位錯的釘扎作用被電子風力減弱，故材料的塑性得以改善。

3 結論

(1)使用UN1-1型對焊機對2A12鋁合金進行脈沖電流修復預置裂紋，裂紋間隙縮小，驗證了脈沖電流修復2A12鋁合金裂紋的可行性。

(2)脈沖電流處理后裂紋尖端區(qū)域的晶粒得到細化，電流繞流集中效應在裂紋尖端處產(chǎn)生焦耳熱，由于熱作用區(qū)域較小，該區(qū)域冷卻速度較快，使得晶粒得到細化。

(3)未經(jīng)過脈沖電流處理的試件硬度最終趨近于130 HV，經(jīng)過脈沖電流處理后試件最終硬度值趨于125 HV。脈沖電流在裂紋尖端區(qū)域產(chǎn)生焦耳熱效應所帶來的溫度提升使試件發(fā)生回復與再結晶，內(nèi)應力消除，試件硬度降低。

(4)裂紋修復前試件平均抗拉強度為273 MPa，裂紋修復后平均抗拉強度為281.7 MPa，經(jīng)過脈沖電流處理后試件的抗拉強度有所提高。這是由于金屬內(nèi)部原子運動的能量在高密度脈沖電流作用下得到提高，加速了位錯移動，宏觀上提高了金屬的塑性，提高了抗拉強度。