不同脈沖頻率對A6N01鋁合金焊接接頭組織的影響

2018-04-17 13:05:18張向鈞陳剛輝丁志成

電焊機 2018年3期

關鍵詞：焊縫

張向鈞，陳剛輝，丁志成

（中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東江門529100）

0 前言

A6N01是一種可熱處理強化的Al-Mg-Si系鋁合金，大量應用于軌道列車側墻、端墻等重要結構中[1-4]。脈沖MIG焊是焊接A6N01鋁合金的主要方法，可調節參數較多。為了確保獲得良好的焊接質量，應精細研究脈沖焊接的參數。

1 試驗材料和方法

試驗材料選用A6N01鋁合金擠壓型材，其抗拉強度310 MPa，屈服強度290 MPa、斷后延伸率14%。焊接材料選用法國AIR LIQUIDE公司的φ1.2 mm ER5356焊絲。A6N01鋁合金以及焊絲的化學成分如表1所示。

焊接試板為將鋁型材加工成300 mm×150 mm×3 mm的鋁板后兩兩對焊而成。選用φ（Ar）99.999%為保護氣體，氣體流量20～25 L/min。焊接設備采用奧地利IGM焊接機器人，主要由Fronius-5000MIG焊接電源、伺服電機驅動6軸聯動系統、RCI控制柜、激光跟蹤傳感系統、行走軌道及示教器等組成。

A6N01S-T5焊接接頭坡口形式示意如圖1所示，實際焊接接頭形式因板厚與單面坡口角度等因素，按照EN15085-3中的接頭設計要求，允許有一定的裝配誤差。由于MIG焊機電源特性為平特性，設計對比試驗中在相同熱輸入下改變脈沖頻率進行研究。實際焊接工藝參數如表2所示。

表1 A6N01鋁合金和焊絲的化學成分%

圖1 A6N01S-T5脈沖MIG焊坡口形式示意

2 試驗結果和分析

2.1 脈沖頻率對焊縫表面成形的影響

脈沖頻率 fx=｛0，1，2，3，4，5｝Hz的焊接接頭的焊縫表面成形如圖2所示。可以看出，不同脈沖頻率焊接獲得的焊縫均無明顯的咬邊、未焊透以及未熔合等缺陷。脈沖頻率為0 Hz時，焊縫成形較好，焊縫邊緣比較平齊、干凈，無飛濺，但魚鱗紋并不明顯（見圖2a）。脈沖頻率為1Hz時，焊縫成形較差，焊縫邊緣不平齊，呈現出規律性的凹凸波動曲線，金屬熔滴過渡不充分，熔池未得到充分攪拌（見圖2b）。脈沖頻率為2Hz時，焊縫成形較1Hz的焊縫好，焊縫邊緣較為平齊，熔滴過渡和攪拌更為充分一些，魚鱗紋明顯但比較稀疏，焊縫寬度不均勻（見圖2c）。脈沖頻率為3Hz，焊縫成形優于2 Hz的焊縫，焊縫邊緣平齊，魚鱗紋相對更密，焊縫寬度較為均勻，表面無飛濺（見圖2d）。脈沖頻率為4 Hz時，焊縫外觀成形與3 Hz的焊縫相近，焊縫邊緣較為平齊，魚鱗紋較明顯，表面無飛濺（見圖2e）。脈沖頻率為5 Hz時，焊縫外觀成形較好，焊縫邊緣平齊，焊縫魚鱗紋較密集，表面干凈，無飛濺，熔池得到較為充分的攪拌（見圖2f）。

表2 焊接工藝參數

圖2 不同脈沖頻率的焊接接頭焊縫成形

2.2 脈沖頻率對焊接接頭金相組織的影響

不同脈沖頻率焊接接頭截面的宏觀形貌如圖3所示。0 Hz的焊接接頭截面呈上寬下窄的蘑菇狀，且蘑菇頭圓滑過渡，同時焊縫與母材之間過渡良好；1 Hz的焊接接頭截面上部分與0 Hz的差別較大，其焊縫表層有一部分凸起，其余部分略高于母材，過渡良好；2 Hz的焊接接頭截面形狀與1 Hz的相近，但凸起部分較為圓滑，與焊縫本身過渡；3 Hz的焊接接頭截面呈風箏狀，上表面正中有部分焊縫金屬凸起，呈平臺狀，整個上部焊縫與母材過渡基本圓滑；4 Hz的焊接接頭截面形狀為蘑菇狀，焊縫與母材之間過渡較好；5 Hz的焊接接頭截面形狀也屬于蘑菇狀，焊縫與母材之間過渡良好。所有的焊縫截面均有氣孔存在于焊縫內部及焊縫表面或者近表面，其中背面焊縫的氣孔多于正面焊縫。3 Hz的正面焊縫寬度最寬，約為8.775 mm，5 Hz的正面焊縫寬度最小，約為6.865 mm；所有焊縫的高度較接近，約為6 mm。

圖3 不同脈沖頻率焊接接頭截面形貌

脈沖頻率為0～5 Hz的焊接接頭焊縫、熔合區、熱影響區以及母材的金相組織如圖4～圖9所示。焊縫區熱輸入很高，使得焊絲完全熔化，凝固速度緩慢，晶粒自然生長，不同脈沖頻率獲得的焊縫均為典型樹枝狀晶組成的鑄態組織，但雙脈沖MIG焊焊縫枝晶較為細小。焊縫主要以α（Al）固溶體為基體，在 α（Al）的晶界及枝晶間主要分布有 α（Al）+Mg的共晶組織，且在晶內有Mg2Si的質點析出。焊接接頭熔合區是由基體金屬和焊絲形成的一種交混合金相，靠近焊縫一側為沿散熱方向以聯生結晶形式形成的柱狀晶組織，而靠近基體一側為等軸晶組織。熱影響區仍然保持部分母材的特征，但部分晶粒較母材晶粒粗大，由于偏析等原因，晶界處有強化相析出。母材為典型的再結晶組織，晶粒較小，晶界不明顯，但仍可見擠壓加工后的纖維走向，同時母材中存在許多點狀、條狀以及棒狀的析出相。