熱輸入對5052鋁合金焊接熱影響區軟化性能的影響

杜全斌 路全彬 秦磊

摘 要：本研究采用TIG焊接工藝對冷作硬化態5052薄板鋁合金進行焊接，研究熱輸入對焊接接頭力學性能的影響。結果表明：采用TIG焊接5052鋁合金時，熱影響區出現軟化區，軟化區原母材變形組織被再結晶組織取代，硬度降低，變形強化效果消失。熱輸入不同，軟化區軟化及強度損失程度不同，小熱輸入（小于13 kJ·cm-1）焊接，焊縫成形不良，出現未熔合缺陷;中等熱輸入（13～17 kJ·cm-1）焊接，焊縫成形良好，母材軟化區硬度損失相對較小;過大熱輸入（大于17 kJ·cm-1）焊接，母材軟化區硬度損失嚴重。

關鍵詞：鋁合金;焊接接頭;熱輸入;力學性能

中圖分類號：TG441.8 ? ? ? ?文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.011Open Science Identity（OSID）

鋁合金常規熔焊接頭在不同熱循環的作用下，硬度、強度等力學性能會隨之發生相應的變化，特別是熱影響區受焊接溫度場梯度的影響，各點經歷的熱循環不同，該區域力學性能的不均勻性更為嚴重和復雜，成為研究者關注的熱點[1-3]。由此，造成鋁合金焊接存在以下難點：鋁合金焊接接頭軟化嚴重，強度系數低;鋁合金線膨脹系數大，易產生焊接變形;鋁合金熱導率大，需要大的熱輸入等[4-6]。對于冷作硬化非熱處理強化鋁合金，焊接時溫度超過300 ℃以上的熱影響區產生再結晶現象，發生軟化，強度系數降低，造成焊接接頭強度降低，失去冷作硬化效果，且不能經過熱處理手段使強度恢復，故一定程度上限制了鋁合金在焊接結構上的廣泛使用[7-10]。

本研究選用冷作硬化狀態的5052H32鋁合金作為研究對象，重點考察了不同熱輸入下3 mm厚薄板鋁合金焊接接頭軟化情況和強度損失程度，通過確定焊接熱輸入的范圍，盡量降低焊接接頭軟化程度并減少強度的損失。

1 試驗材料與方法

試驗選用母材為H32態5052鋁合金，試板尺寸300 mm×150 mm×3 mm，焊絲選用ER5356，直徑1.6 mm，母材與焊絲的化學成分見表1。采用手工填絲TIG焊，焊接試樣采用V型坡口對接，坡口角度為60°，焊前對試板表面進行嚴格清理，焊接熱輸入如表2所示。

焊接接頭的拉伸試樣按照GB/T 2651-2008進行。按照GB/T 27552-2011的規定，采用華銀HV-1000A型顯微硬度計測量焊接接頭的顯微硬度，加載力0.03 N，加載時間10 s。采用ZEISS Axio Scope A1金相顯微鏡對焊接接頭顯微組織進行觀察，采用JSM-7500F場發射掃描電鏡對焊接接頭拉伸斷口進行觀察。

2 試驗結果及討論

2.1 熱輸入對焊縫成形的影響

為確定合適的焊接熱輸入，首先應確保施焊條件下，焊縫成形良好，無焊縫成形缺陷。在一定的條件下，焊接熱輸入對焊縫成形產生影響，如圖1所示，不同的焊接熱輸入焊縫成形不同。焊接熱輸入小于13 kJ·cm-1時2號試樣（圖1a），焊縫高低不平、寬窄不一，成形不美觀，通過對背面的觀察，發現焊縫背面有部分未熔合。當焊接熱輸入大于17 kJ·cm-1時6號試樣（圖1c），焊縫熔寬過大，尺寸不符合要求，存在咬邊等焊接缺陷。對于中等熱輸入量13～17 kJ·cm-1的5號試樣（圖1b），焊縫成形美觀，焊縫尺寸合格，無咬邊、未熔合等缺陷。

2.2 熱輸入對焊接接頭軟化程度的影響

焊接接頭顯微硬度的變化，可反映焊接接頭軟化程度。為考察不同熱輸入下，焊接接頭軟化的情況，測量不同熱輸入的焊接接頭的顯微硬度。接頭硬度相對焊縫中心的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，在距離焊縫中心6～16 mm區域，3～8號試樣硬度值明顯較低，即此焊接熱影響區（HAZ）硬度明顯低于母材和焊縫區硬度，該區軟化現象十分明顯，稱為軟化區。仔細觀察發現，即使在很小的熱輸入下，焊接接頭仍存在軟化區，如圖2中3號試樣。因此，采用TIG焊接冷作硬化的5052鋁合金時，熱影響區的軟化是較難避免的。進一步觀察可知，隨著熱輸入的增加軟化區寬度為呈逐漸增加的趨勢，但各試樣軟化區的平均硬度差別不大，平均硬度為54 HV0.3，約為母材硬度的84 %。

2.3 分析與討論

圖3為焊接接頭熱影響區顯微組織，熱輸入不同的2～8號試樣，熱影響區組織存在差異。當熱輸入小于13 kJ·cm-1時，見圖3a 2號試樣，接頭出現未熔合缺陷。熱輸入大于13 kJ·cm-1的3～8號試樣，熱影響區分為靠近熔合區的固溶區和再結晶區，熱輸入不同再結晶區的寬度和晶粒組織也不同。焊接時由于母材在熱循環條件下，不同部位受到的熱影響不同，故其組織也不同。熱輸入為13～17 kJ·cm-1范圍的3～5號試樣再結晶區晶粒細化（如圖3c、d），晶粒為等軸晶，大小均勻;大于17 kJ·cm-1的6～8號試樣，再結晶區晶粒部分粗化（如圖3e）。

結合硬度結果表明，冷作硬化狀態的5052鋁合金TIG焊接時，由于焊接熱輸入的影響，在焊接熱影響區存在再結晶軟化區，軟化區變形晶粒消失，形成新的再結晶晶粒，熱輸入為13～17 kJ·cm-1（3～5號）時，軟化區再結晶晶粒細小，硬度降低，強度低于母材。當熱輸入過大時（大于17 kJ·cm-1的6～8號），軟化區晶粒部分粗化，故強度低于5號試樣。對于非熱處理強化的5052鋁合金來說，由于焊接熱輸入的作用，造成母材熱影響區出現軟化區，母材變形強化效果消失。這說明熱輸入不同，軟化區強化效果消失程度不同。

5052鋁合金TIG焊接熱影響區軟化、強度降低的主要原因是熱影響區的母材發生再結晶，變形組織消失，出現新的再結晶組織。

3 結論

采用TIG焊接冷作硬化態5052鋁合金時，熱影響存在軟化區，造成原硬化、強化效果消失，導致強度、硬度降低。當熱輸入小于13 kJ·cm-1時，焊縫成形不良，出現未熔合缺陷;當熱輸入為13～17 kJ·cm-1時，焊縫成形良好，母材硬度、強度損失相對較小;繼續增大熱輸入（大于17 kJ·cm-1），母材硬度、強度損失嚴重。

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