5A06鋁合金超薄板交流冷金屬過渡焊接頭的組織與拉伸性能

趙慧慧，賈洪德，胡 藍(lán)，李 穎，周佳芬

(上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245)

0 引 言

航天事業(yè)的快速發(fā)展對航天器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的制造質(zhì)量及安全可靠性提出了更新、更高的要求。焊接作為關(guān)鍵部件制造的關(guān)鍵連接技術(shù)之一，其質(zhì)量對部件的制造和安裝質(zhì)量、運(yùn)行安全及可靠性具有十分重要的影響。航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品存在很多薄壁板的焊接需求，焊接變形對部件的后續(xù)裝配和服役性能有重大影響，因此在焊接過程中需嚴(yán)格控制焊接熱輸入，保證焊接過程的穩(wěn)定性，從而形成優(yōu)質(zhì)美觀的焊縫，保證良好的焊接質(zhì)量。冷金屬過渡(Cold Metal Transfer，CMT)焊接技術(shù)是在熔化極惰性氣體保護(hù)焊/熔化極活性氣體保護(hù)焊工藝基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種新型焊接技術(shù)，屬于數(shù)字化精確控制短路過渡電弧焊技術(shù)；該技術(shù)在幾乎無電流狀態(tài)下進(jìn)行熔滴過渡，熱輸入極低，且該技術(shù)還具有變形程度小、成形性好、焊接速度快等特點(diǎn)，可用于焊接包括鋼、鋁合金、鎂合金等各種金屬薄板或超薄板[1-3]，甚至包括異種金屬，如鋼/鋁、鋁/鎂、鋼/銅等[4-9]。CMT焊接技術(shù)還具有良好的搭橋能力，對間隙的敏感性低，焊接過程穩(wěn)定，沒有飛濺產(chǎn)生[10-11]。2010年，為了進(jìn)一步降低焊接熱輸入，F(xiàn)ronius公司在直流CMT焊接工藝方法的基礎(chǔ)上，又推出了一種焊接時極性可變的交流CMT焊接技術(shù)，該技術(shù)不但具有直流CMT的熱輸入低、裝配精度要求低等特點(diǎn)，而且可在焊接過程中加入可調(diào)正極性脈沖和可調(diào)負(fù)極性脈沖，其中正極性脈沖起到陰極清理的作用，負(fù)極性脈沖起到降低熱輸入但又不降低焊絲熔化量的作用。交流CMT焊接尤其適用于焊接鋁合金。汪殿龍等[12-13]采用交流CMT方法分別對2 mm厚2198-T8和1420鋁鋰合金薄板進(jìn)行了焊接，發(fā)現(xiàn)焊縫組織較粗大，熔合線附近存在細(xì)晶區(qū)，無宏觀裂紋，熔合線附近區(qū)域?yàn)楹附咏宇^的薄弱區(qū)域。5A06鋁合金是鋁-鎂系中含鎂量較高的合金，不可熱處理強(qiáng)化，耐腐蝕性能好，目前廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域活門類濾芯組件、殼體等薄壁構(gòu)件中，由于該類零件的薄壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，焊接變形對其裝配精度和服役性能具有較大影響，因此對此類薄壁鋁合金零件的小變形高質(zhì)量焊接提出了迫切的需求。作者以ER5356焊絲為焊接材料，采用交流CMT焊接技術(shù)對0.8 mm厚5A06鋁合金超薄板進(jìn)行焊接，研究了電流及背保護(hù)氣體流量對焊接成形性、接頭組織和力學(xué)性能等的影響，為推動航天制造中超薄板焊接技術(shù)的發(fā)展提供試驗(yàn)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為0.8 mm厚5A06鋁合金板，焊接材料為ER5356焊絲，直徑為1.2 mm，二者的化學(xué)成分如表1所示。將5A06鋁合金板進(jìn)行堿洗、酸洗處理，然后放入80 ℃烘干爐中保存，防止再次污染。焊前用鋼絲刷清理焊縫周圍30 mm區(qū)域，并用丙酮清洗表面。設(shè)計(jì)具備正反面通保護(hù)氣體功能的焊接工裝，采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋁合金板中不留間隙，襯板材料為紫銅，且襯板正面留有成形槽，以保證焊縫背面成形，同時開設(shè)氣道，實(shí)現(xiàn)焊縫背部惰性氣體保護(hù)，保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣。搭建了交流CMT焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括Fronius CMT Advanced 4000焊接電源、環(huán)縫變位機(jī)、送絲機(jī)、CMT焊槍等。對鋁合金超薄板進(jìn)行交流CMT焊接，焊接參數(shù)如表2所示，采用一元化參數(shù)調(diào)節(jié)模式。

表1 5A06鋁合金板和ER5356焊絲的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 5A06 aluminum alloy plate and ER5356 welding wire %

表2 交流CMT焊接參數(shù)Table 2 Advanced CMT welding parameters

焊后采用YXLON-160型X射線探傷機(jī)對焊接接頭進(jìn)行無損檢測。在焊接接頭中部沿垂直焊接方向截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，采用凱勒試劑(由5 mL HNO3、3 mL HCl、2 mL HF、250 mL H2O組成)腐蝕40 s后，采用VHX-1000E型光學(xué)顯微鏡觀察截面顯微組織。在焊接接頭中部以焊縫為中心垂直焊接方向截取拉伸試樣，拉伸試樣的尺寸如圖1所示，在AET-100K型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm·min-1。采用 Nova Nano SEM 450 型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

圖1 拉伸試樣的尺寸Fig.1 Dimension of tensile sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 成形性能

經(jīng)過X射線無損檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部無氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，焊縫質(zhì)量較好，滿足QJ 2698—2011標(biāo)準(zhǔn)中鋁及鋁合金熔焊的I級焊縫要求，背面保護(hù)氣體增加了對焊縫的保護(hù)作用，從而得到了較好的焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

由圖2可以看出：當(dāng)焊接電流為85 A時，焊縫背面熔透量過大，焊縫正面出現(xiàn)了局部的下凹現(xiàn)象；當(dāng)電流為70 A時，由于熔滴過渡不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，焊縫背面熔透不均勻，焊縫正面不連續(xù)；當(dāng)電流為75，80 A時，焊縫正面和背面成形均勻良好。

圖2 不同焊接電流下焊縫正面和背面的外觀形貌(背面保護(hù)氣體流量5 L·min-1)Fig.2 Appearance of front and back of weld under different welding currents (back shielding gas flow rate of 5 L·min-1)

由圖3可以看出：當(dāng)背面保護(hù)氣流量為15 L·min-1或10 L·min-1時，焊縫背面出現(xiàn)了局部內(nèi)凹現(xiàn)象，而當(dāng)背面保護(hù)氣流量為5 L·min-1時，焊縫背面成形良好，說明在交流CMT焊接過程中過大的背面保護(hù)氣體流量不利于焊縫背面的成形。對于薄板焊接，尤其是鋁合金，設(shè)置背保護(hù)氣體可以改善焊接接頭質(zhì)量。

圖3 不同背面保護(hù)氣流量下焊縫背面的外觀形貌(焊接電流75 A)Fig.3 Weld back appearance under different back shielding gas flow rates (welding current of 75 A)

2.2 顯微組織

由于當(dāng)電流為75～80 A，背面保護(hù)氣體流量為5 L·min-1時焊縫成形質(zhì)量較好，因此對2#、3#工藝下焊接接頭的組織進(jìn)行觀察。以2#焊接工藝下得到的焊接接頭為例，對其組織進(jìn)行觀察。由圖4可以看出，焊接接頭由母材、熱影響區(qū)、熔合線、焊縫組成，焊縫與母材間圓滑過渡，無咬邊等缺陷，與母材結(jié)合良好。由圖5可知：母材主要由軋制態(tài)的拉長α-Al晶粒組成，且細(xì)長的晶粒邊界處分布著細(xì)小的彌散強(qiáng)化相，包括Al6(Fe,Mn)相、Mg2Si相以及Al8Mg5相，其中Al6(Fe,Mn)相呈塊狀，Mg2Si相和Al8Mg5相較細(xì)小[14]，彌散強(qiáng)化相對鋁合金具有一定的強(qiáng)化作用；熔合線附近因在焊接熱輸入作用下發(fā)生再結(jié)晶而形成等軸晶組織；熱影響區(qū)的等軸晶較熔合線附近的粗大；焊縫中心受熱均勻，溫度梯度小，沒有明顯的方向性，組織較均勻，為細(xì)小等軸晶。

圖4 焊接接頭的整體形貌Fig.4 Overall morphology of welded joint

圖5 焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig.5 Microstructures of different areas of welded joint: (a) base metal; (b) near fusion line; (c) heat affected zone and (d) weld center

2.3 力學(xué)性能

對2#和3#工藝下接頭的拉伸性能進(jìn)行測試。拉伸試樣均在母材處斷裂，且拉伸斷口與拉伸方向大致呈45°夾角。由拉伸試驗(yàn)得到，2#工藝下接頭的抗拉強(qiáng)度測試值為355,352,350 MPa，平均值為352.3 MPa, 斷后伸長率測試值為10.3%，11.6%，11.9%，平均值為11.3%; 3#工藝下接頭的抗拉強(qiáng)度測試值為353,367,382 MPa，平均值為367.3 MPa，斷后伸長率測試值為12.5%，13.5%，11.3%，平均值為12.4%。由于焊縫中心形成均勻細(xì)小等軸晶，強(qiáng)度較高，母材處分布著軋制態(tài)的拉長晶粒α-Al，因此試樣均在母材處斷裂，并呈45°典型韌性斷裂特征，表明接頭焊接質(zhì)量良好，接頭力學(xué)性能優(yōu)良。由圖6可以看出，3#工藝下接頭拉伸斷口存在大量不同尺寸的韌窩，表明接頭發(fā)生韌性斷裂，塑性較好。

圖6 3#工藝下接頭的拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology of joint under 3# process: (a) at low magnification; (b) at medium magnification and (c) at high magnification

3 結(jié) 論

(1) 在焊縫正面保護(hù)氣體流量為20 L·min-1，背面保護(hù)氣體流量為5 L·min-1，焊接電流為75～80 A，焊接速度為1 000 mm·min-1條件下，采用交流CMT焊接方法對0.8 mm厚5A06鋁合金超薄板進(jìn)行焊接時，焊縫成形良好，連續(xù)美觀，無氣孔、裂紋、夾雜等缺陷。

(2) 焊接接頭母材區(qū)組織為軋制態(tài)的拉長α-Al晶粒以及晶界處分布的彌散強(qiáng)化相，熔合線附近發(fā)生再結(jié)晶而形成等軸晶，熱影響區(qū)為粗大的等軸晶，焊縫中心為細(xì)小等軸晶。

(3) 焊接接頭拉伸時均在母材處斷裂，抗拉強(qiáng)度約為360 MPa，斷后伸長率約為12%，斷口存在大量韌窩，接頭發(fā)生韌性斷裂，拉伸性能優(yōu)良。