脈沖頻率對(duì)鋁合金TIG焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響

王悅

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

脈沖頻率對(duì)鋁合金TIG焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響

王悅

（南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

以7075鋁合金為研究對(duì)象進(jìn)行鎢極氬弧焊接，通過金相顯微鏡、掃描電鏡、顯微硬度、抗拉強(qiáng)度等試驗(yàn)手段，研究脈沖頻率對(duì)焊接接頭組織和性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)脈沖頻率較小時(shí)，焊縫熔滴相對(duì)獨(dú)立，隨著脈沖頻率增加，熔滴尺寸減小且數(shù)量增多。熔合區(qū)晶粒尺寸隨脈沖頻率增加而減小。鋁合金TIG焊接接頭母材顯微硬度值最大，熱影響區(qū)顯微硬度值最小。脈沖頻率越大，熔合區(qū)最大顯微硬度值越高。隨著脈沖頻率的增加，鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度先增加后減小，脈沖頻率40 Hz時(shí)達(dá)到母材95%。

7075鋁合金；鎢極氬弧焊；脈沖頻率；抗拉強(qiáng)度

0 前言

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，環(huán)境污染、資源緊缺等問題逐漸嚴(yán)重。輕量化由于可以大大降低能源消耗，受到了各國的重視[1]。尤其在汽車工業(yè)中，采用新型的輕合金材料以替代鋼鐵材料，可以降低自重、減少排放，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。其中，鋁合金由于儲(chǔ)量豐富，易于加工和回收等特點(diǎn)，成為汽車工業(yè)中應(yīng)用最廣闊的材料之一[2]。

任何材料的應(yīng)用離不開連接技術(shù)的發(fā)展，焊接作為連接技術(shù)的一種，可以滿足一次成型的要求，在汽車工業(yè)中廣泛使用。但是鋁合金化學(xué)性質(zhì)比較活潑，表面易氧化生成氧化膜、熱導(dǎo)率高，線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，使焊接時(shí)容易形成裂紋、氣孔等缺陷，嚴(yán)重影響鋁合金的應(yīng)用[3-4]。攪拌摩擦焊等固相焊接方法可以實(shí)現(xiàn)鋁合金的焊接，但設(shè)備龐大，投資較大，且焊接接頭強(qiáng)度不到母材的50%，不適用于鋁合金的焊接[5-6]。鎢極氬弧焊（TIG）是通過在電極與工件之間形成電弧，時(shí)待焊處熔化，從而獲得牢固接頭的焊接方法，非常適用于汽車薄板的焊接[7]。本研究采用脈沖TIG焊接方法，對(duì)7075鋁合金進(jìn)行焊接，研究脈沖頻率對(duì)鋁合金焊接質(zhì)量和性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用母材為7075鋁合金，尺寸100mm×40mm× 30mm，其化學(xué)成分如表1所示。采用全數(shù)字交直流焊機(jī)對(duì)鋁合金進(jìn)行脈沖TIG對(duì)接焊接，焊接輸入功率10kW，脈沖頻率0～500Hz。焊前預(yù)留間隙0.5mm，將母材用砂紙打磨并用酒精超聲清洗表面。確定基值電流70A，峰值電流150A，氬氣流量15L/min，焊接速度10 mm/s，采用不同脈沖頻率進(jìn)行焊接，研究不同脈沖頻率下焊接接頭組織和力學(xué)性能。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of 7075 Al alloy %

采用線切割沿垂直焊接方向切取30mm×8 mm× 3 mm試樣制成金相試樣，采用1%HF水溶液對(duì)焊接接頭進(jìn)行腐蝕，用酒精棉擦拭3s。采用掃描電鏡觀察焊接接頭微觀組織，采用顯微硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭顯微硬度，采用萬能試驗(yàn)機(jī)按ISO標(biāo)準(zhǔn)6892-1：2009檢測(cè)樣品的抗拉強(qiáng)度，檢測(cè)3個(gè)取平均值。

2 結(jié)果和討論

2.1 焊接接頭宏觀形貌

圖1為脈沖頻率分別為10 Hz、30 Hz和50 Hz時(shí)鋁合金TIG焊焊接頭宏觀形貌。由圖1可知，當(dāng)脈沖頻率為10 Hz時(shí)，焊縫無氣孔和裂紋，但由于脈沖較低，周期內(nèi)熔滴過渡數(shù)量較少，形成大量球狀熔滴相對(duì)獨(dú)立的過渡，導(dǎo)致電弧燃燒不穩(wěn)定，從而焊縫表面比較粗糙，成形性不好，且存在氧化現(xiàn)象。脈沖頻率增加到30 Hz時(shí)，熔滴尺寸減小且數(shù)量增多，這對(duì)熔滴的過渡非常有利，此時(shí)能有效地?cái)_動(dòng)熔池，焊縫表面呈現(xiàn)魚鱗狀，焊縫成形性良好且整條焊縫沒有出現(xiàn)氧化。當(dāng)脈沖頻率進(jìn)一步增加到50Hz時(shí)，焊絲燃燒速度加快，使熔滴過渡不易控制，焊縫寬度增加，焊縫成形性反而變差，同時(shí)伴有氧化物產(chǎn)生。

2.2 焊接接頭微觀組織

不同脈沖頻率下熔合區(qū)微觀組織如圖2所示。由圖2可知，不同脈沖頻率下，熔合區(qū)晶粒尺寸變化較大。隨著脈沖頻率從10Hz增加到50Hz，晶粒尺寸從47.8μm減至24.5μm。由上述分析可知，脈沖頻率較低時(shí)，熔滴凝固過程是相對(duì)獨(dú)立的，一個(gè)熔滴對(duì)另一個(gè)熔滴干擾不大，晶粒能自由成長，組織較粗大。脈沖頻率增大后，熔滴對(duì)熔池的擾動(dòng)作用增強(qiáng)，熔滴之間相互制約，能量得不到有效控制，生長受到制約。

圖1 不同脈沖頻率下鋁合金焊接接頭宏觀形貌Fig.1 Surface macroscopic of Al alloy welded joints with difference pulse frequency

2.3 焊接接頭微觀組織

鋁合金脈沖TIG焊焊接接頭顯微硬度隨脈沖頻率變化曲線如圖3所示。由圖3可知，不同脈沖頻率時(shí)，鋁合金焊接接頭顯微硬度值母材最大，其次為熔合區(qū)，熱影響區(qū)顯微硬度值最小。主要是鋁合金脈沖焊接時(shí)，熔合區(qū)冷卻速度較快，晶粒較小，熱影響區(qū)晶粒在熱循環(huán)條件下發(fā)生粗化。隨著脈沖頻率增加，熔合區(qū)和和熱影響區(qū)顯微硬度逐漸增加。熔合區(qū)顯微硬度主要是晶粒大小制約，而熱影響區(qū)顯微硬度主要受沉淀強(qiáng)化相的數(shù)量制約。脈沖頻率從10 Hz增加到50 Hz時(shí)，熔合區(qū)晶粒大小逐漸減小，熱影響區(qū)沉淀強(qiáng)化相數(shù)量依次減小，因此硬度值逐漸增加。

2.4 焊接接頭抗拉強(qiáng)度

不同脈沖頻率下鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度如圖4所示。由圖4可知，鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度隨脈沖頻率增加先增加后減小。脈沖頻率為10Hz時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度只有219 MPa，僅為母材抗拉強(qiáng)度的80%；隨著脈沖頻率增加，抗拉強(qiáng)度增加，脈沖頻率40Hz時(shí)，達(dá)到最大值258MPa，為母材的95%；進(jìn)一步增加脈沖頻率，抗拉強(qiáng)度值降低。分析認(rèn)為，鋁合金焊接接頭斷裂位置為熱影響區(qū)，斷裂時(shí)首先在脆性強(qiáng)化相中產(chǎn)生。脈沖頻率增加時(shí)，熱影響區(qū)晶粒大小變化不大，但析出相數(shù)量減少。析出相最先呈網(wǎng)狀在晶界團(tuán)聚，隨脈沖頻率增加彌散分布，因此抗拉強(qiáng)度增加。但脈沖頻率過大時(shí)，第二相析出長大，應(yīng)力集中嚴(yán)重，抗拉強(qiáng)度下降。

圖2 不同脈沖頻率下鋁合金焊接接頭熔合區(qū)微觀組織Fig.2 FZ microstructure of Al alloy welded joints with different pulse frequency

圖3 不同脈沖頻率下鋁合金焊接接頭顯微硬度Fig.3 Microhardness of Al alloy welded joints with different pulse frequency

3 結(jié)論

（1）當(dāng)脈沖頻率為10Hz時(shí)，焊縫熔滴尺寸較大；脈沖頻率增加到30 Hz時(shí)，熔滴尺寸減小且數(shù)量增多；脈沖頻率增加到50 Hz時(shí)，焊縫成形性變差。

（2）隨著脈沖頻率的增加，熔合區(qū)晶粒尺寸逐漸減小。

（3）鋁合金焊接接頭顯微硬度值母材最大，熱影響區(qū)顯微硬度值最小。脈沖頻率越大，熔合區(qū)最大顯微硬度值越高。

（4）隨著脈沖頻率的增加，鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度先增加后減小，脈沖頻率40 Hz時(shí)達(dá)到最大值258 MPa。

圖4 不同脈沖頻率下鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度Fig.4 Tensile strength of Al alloy welded joints with different pulse frequency

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Effect of pulse frequency on microstructure and mechanical properties of welded joints in TIG welding foraluminum alloy

WANG Yue
（Nanjing Polytechnic Institute，Nanjing 210048，China）

The tungsten inert gas arc welding is used for 7075 aluminum alloy and the effect of pulse frequency on the microstructure and mechanical properties of welded joints is studied through metallographic microscope，scanning electron microscope，microhardness and tensile strength tests.The results show that when the pulse frequency is small，the weld droplets are relatively independent，and as the pulse frequency increases，the droplets decrease in size and increase in number.The grain size of fusion zone reduces as the pulse frequency enhances.There is the maximum microhardness of the base metal of the welded joints in TIG welding for Al alloy，and the minimum microhardness of the heat affected zone.The greater pulse frequency is，the higher microhardness of fusion zone is.As the pulse frequency increases the tensile strength of aluminum alloy welded joints increases early and then decreases.The tensile strength of base metal reaches 95%when the pulse frequency is 40 Hz.

7075 Al alloy；tungsten inert gas arc welding；pulse frequency；tensile strength

TG444

：A

1001-2303（2015）09-0110-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.24

2015-04-07；

2015-04-22

江蘇省教育廳高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目（JHB 2012-66）

王 悅（1976—），男，江蘇大豐人，講師，學(xué)士，主要從事高效節(jié)能過程裝備技術(shù)的教研工作。