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焊接工艺对铝合金焊接性能的影响

摘要：近年来，防锈铝由于其优异的性能，已经被广泛地应用于航天、航空、航海、轨道交通、压力容器等多个领域。5A06铝合金为典型的A1-Mg系防锈铝，具有强度较高、抗腐蚀性稳定和焊接性能良好等优点。但铝及其合金具有导热性能强、线膨胀系数大、熔点低及高温强度小等特点，使得该类合金的焊接难度较大。国内相关研究者对铝合金的焊接方法及焊接性能等开展了大量的分析研究。经调研发现，铝及其合金氩弧焊多采用衬底结构或反面封底焊接的方法，以确保焊缝背面成型良好。

关键词：铝合金；焊接工艺；焊接性能；力学性能；显微组织

引言

铝合金材料密度小、耐腐蚀、容易加工，且强度比较高，因此，铝合金材料在农业、航空、汽车等领域应用十分广泛。随着社会的高速发展，铝合金应用越来越广泛，铝合金材料在越来越多的领域中得到推广。架空输电线路一直使用的是铁塔，铝合金材料与钢材料相比更耐腐蚀，且在相同条件下与Q420钢相比，铝合金可减轻重量66%，而铝合金的成本相比于Q420更低，这促使铝合金塔的研究被推上了研究日程。在铝合金塔设计过程中，铝合金的选材、材料结构形式和截面型式的确定、焊接方法、焊接工艺和焊丝的选择都显得尤为重要。

1实验材料和方法

试验所用焊接材料母材为5083-H116铝合金和6082-T6铝合金（化学成分见表1），厚度8mm，两种合金分别为同一板材下料。焊丝所用材料为OKAutrod5183和OKAutrod5356（瑞典伊萨ESAB），直径为1.2mm的铝合金焊丝。焊前对铝合金表面进行抛光处理，以去除表面氧化层。焊接时分别对两种合金以对接接头形式（如图1）进行横焊和仰焊，焊道顺序如图2所示。由于铝合金在MIG焊时热输入较TIG焊时大，金属熔化量大，熔敷金属流动性好，且铝合金散热快，易引起熔池塌陷，坡口底部焊缝应在加装表面加出半圆弧槽的加强板。焊接接头的形式见表2。

2结果与分析

2.1接头焊缝成形

在TIG电弧加热作用下，由于局部焊接温度高于铝合金母材和焊丝的熔点，焊丝熔化并填充焊缝，在铝母材一侧形成熔焊接头。此外，局部焊接温度低于钢母材熔点，配合钎剂的化学去膜作用，熔融焊缝金属与钢基体发生钎焊反应形成钎焊接头，并在钢基体生成一层界面反应产物。

2.2显微组织

6号接头的显微组织如图4所示。母材为轧制态带状组织。热影响区仅受热循环作用，其带状组织较母材略有粗化。热机影响区为被拉长的

回复晶粒。热机影响区受搅拌力和焊接热循环的双重作用，但该区域距离搅拌针较远，到的搅拌作用很小，因此组织仅发生动态回复，带状组织消失，并在搅拌力作用下回复晶粒被拉长。焊核区晶粒细小，组织均匀，没有明显的方向性。焊核区位于接头中心，受到强烈的搅拌作用及轴肩与母材的摩擦作用而产生大量的热量，在温度较高的热循环作用下，周围金属发生塑性流动，且焊缝温度达到再结晶温度，同时位错密度不断增加，当达到临界形核密度时，金属发生动态再结晶现象;在搅拌力的作用下，晶粒来不及长大而被打碎成细小的等轴晶。除9号接头外，其他接头的组织与6号接头相似。9号接头热机影响区和焊缝区的组织较粗大，如图5所示。此时焊接热输入较大，使得焊核区温度过高，从而导致晶核过热长大，同时冷却过程中散热缓慢，促使晶粒进一步长大，因此9号接头的组织较粗大。

2.3铝/钢焊接接头的力学性能

在送丝速度从1150mm/min增加到1320mm/min的过程中，强度曲线呈陡增然后降低的趋势。在送丝速度为1210mm/min的条件下，获得最优接头抗拉强度的平均值为170.6MPa。在送丝速度为1150mm/min的条件下，接头的平均抗拉强度最低，为72MPa。在送丝速度为1320mm/min的条件下，接头的平均抗拉强度为92.6MPa。主要原因是：随着焊接送丝速度增加，焊缝中气孔数量先减少、后增加，焊缝金属与钢基体熔覆率先增加、后减少，界面IMC层厚度持续降低，接头抗拉强度受三者的共同影响，最终测得抗拉强度值。为了进一步探究接头力学性能对接头断裂行为的影响，采用扫描电镜观察在最优送丝速度为1210mm/min的条件下的接头断口形貌。可以发现，断口形貌中存在大量韧窝特征，说明接头拥有较强的抗裂能力和一定的塑韧性。尽管如此，也存在层状撕裂的特征，使接头强度弱化，最终造成以韧性断裂为主的混合型断裂模式。

2.4维氏硬度测试

焊接接头的拉伸强度很大程度上与其微观硬度分布密切相关。对不同焊接试样的样品进行了显微硬度检测，每个样品选取了17个检测点，所取点位置对称分布在焊缝两侧。不同工艺的维氏硬度值在母材上的变化无规律，但在焊缝处仰焊略高于横焊时的硬度，且基本上以焊缝为基准对称。焊缝区、热影响区硬度值与母材相比，都有很大程度的下降，这与焊接接头拉伸强度低于母材的规律是一致的。各个工艺下不同焊接材料的维氏硬度对比，可以