鋁合金型材表面氧化膜對焊接接頭性能及氣孔率的影響

崔輝,王旭友,徐良,楊海鋒,徐富家

(哈爾濱現代焊接技術有限公司,哈爾濱150028)

0 前言

鋁合金比重輕、比強度高,是典型的輕合金,鋁合金雙殼體結構型材,結構簡單,同時其強度及結構剛性優異,被眾多高速型列車車體采用[1-2]。然而,鋁在空氣中與氧發生的氧化反應的自由能為21 675 kJ,較高的自由能使得鋁和氧的親和力很強,鋁合金表面會在短時間內形成一層Al2O3薄膜[3]。關于鋁合金表面氧化膜對焊接質量的影響研究主要集中在上個世紀,相關結果表明該氧化膜熔點高、附著力強且難熔,阻礙電弧能量傳遞,造成夾渣、融合不良等缺陷。除此之外,氧化膜結構疏松多孔、易吸收水分、油污等,在這種狀態下焊接易引起焊縫氣孔率的提高從而影響接頭性能[4-5],故現有的鋁合金焊接方法一般都是先去除氧化膜,并在規定時效內完成焊接。

鋁合金MIG焊是其重要焊接方法之一,關于鋁合金MIG的研究方向眾多,包括工藝研究、焊接材料研究、工況適應性研究、數值模擬等等,在焊接工藝方面,對鋁合金MIG焊在不同濕度條件及熱輸入條件下氧化膜處理方式對接頭性能及氣孔率影響研究較少。

文中基于鋁合金表面氧化膜對焊接質量影響的研究現狀,研究了兩種不同環境濕度環境下,處理與不處理氧化膜對焊縫性能及氣孔率的影響,為其焊接生產應用提供試驗依據。

1 試驗材料及方法

試驗所用材料為6005A-T6高速列車鋁合金型材,焊縫接頭為對接焊形式,焊縫位置厚度均為4 mm,填充焊絲為ER5356,直徑為1.2 mm。所用型材及焊絲的化學成分見表1。試驗所用焊機為Trans Puls Synergic 4000型焊機。

試驗采用MIG電弧焊,焊接模式為脈沖,具體焊接工藝參數見表2,坡口形式如圖1所示。試驗設置低壞境濕度的相對濕度為5%～10%,高環境濕度的相對濕度為40% ～50%。焊接接頭質量的評定按ISO 15613：2004《Specification and qualification of welding procedures for metallic materials—qualification based on pre-

表1 型材及焊絲得化學成分(質量分數,%)

表2 MIG弧焊焊接工藝參數

圖1 MIG弧焊坡口示意圖

production welding test》標準執行,氣孔率定義為焊縫X射線在平行于試板的平面上投影中氣孔面積占焊縫總面積的百分比。

2 試驗結果

2.1 低濕度下焊縫質量及氣孔率

2.1.1 焊縫成形

試驗采用刮削去除氧化膜作為對照組,表3為刮削至露出亮白色金屬后施焊和不處理型材表面氧化膜直接施焊兩種條件下得到的焊縫成形結果。從表3中可以看出,在該試驗條件下,兩種狀態下的焊縫表面與截面成形沒有明顯區別,都是均勻穩定的,無熔合不良等缺陷情況。這說明在濕度為5%～10%條件下焊接,氧化膜的存在對焊縫成形沒有明顯影響。

表3 氧化膜刮削去除與不處理的焊后成形

2.1.2 焊縫氣孔

表4為刮削去除氧化膜與不處理氧化膜兩種條件下得到的焊縫X射線照片。從表4中可以看出,在該試驗條件下,兩種狀態得到的焊縫均沒有產生明顯的氣孔,均符合ISO 10675-2-2017《Non-destructive testing of welds—Acceptance levels for radiographic testing—Part 2：Aluminium and its alloys》標準的Ⅰ級焊縫,這說明在濕度條件為5%～10%時,鋁合金型材表面的氧化膜不會在焊縫造成明顯氣孔。

表4 刮削與不處理焊縫氣孔探傷

2.1.3 金相組織

圖2 刮削處理氧化膜

圖3 不處理氧化膜

刮削去除氧化膜與不處理氧化膜兩種條件下焊縫金相照片如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出,氧化膜刮削去除與不處理兩種焊縫的焊縫區與熱影響區的組織沒有明顯區別,焊縫區均為典型的樹枝晶,呈枝晶網絡,熔合區為柱狀晶,靠近焊縫由柱狀晶變成等軸晶。這說明在環境濕度在5%～10%時,氧化膜的存在與否對焊縫的組織沒有明顯的影響。

2.1.4 拉伸性能

刮削去除氧化膜與不處理氧化膜兩種條件下焊縫的拉伸試驗結果如圖4和圖5所示。從圖4可看出,在環境濕度為5%～10%時,氧化膜的存在與否對試件抗拉強度影響不大。刮削處理氧化膜得到的焊縫抗拉強度約為母材的77.3%,而不處理氧化膜得到的焊縫抗拉強度約為母材的75.7%,并且都位于熱影響區斷裂。

圖4 拉伸試樣

圖5 抗拉強度

2.2 高濕度下焊縫成形、氣孔及拉伸性能

2.2.1 焊縫成形

表5為刮削去除氧化膜與不處理氧化膜得到的焊縫表面成形以及X射線探傷結果。從表5中可以看出,當環境濕度為40% ～50%時,氧化膜的存在對焊縫成形影響不大,兩種條件下都得了均一穩定的焊縫。但與刮削處理氧化膜相比,不處理氧化膜直接焊接的焊縫氣孔傾向更為明顯,從X射線照片可以看出,氣孔大小、數量分布不均,既有尺寸較大的離散氣孔,也有密集鏈狀小氣孔。這說明當環境濕度較高時,氧化膜的存在會造成MIG弧焊焊縫氣孔傾向增大。

表5 氧化膜刮削與不處理焊后成形及X射線照片

2.2.2 焊縫氣孔

表6為不處理氧化膜時,不同的焊接速度下焊縫X射線照片,可以看出,當焊接速度為0.6～0.7 m/min時,焊縫氣孔數目較多,焊縫中的氣孔尺寸較大,并且大尺寸的氣孔與密集的鏈狀小氣孔并存,但是隨著焊接速度的降低,焊縫的氣孔數目明顯下降,當焊接速度降低到0.45 m/min的時候,鏈狀小氣孔已經消失。當速度進一步降低至0.4 m/min時,在此焊接熱輸入下,焊縫探傷照片已經檢測不到氣孔,符合ISO 10675-2標準的Ⅰ級焊縫。

表6 不同焊接速度下焊縫的X射線探傷照片

圖6給出了不處理氧化膜焊后焊縫的氣孔率和尺寸大于1.5 mm氣孔的數目隨焊接熱輸入的變化。從圖可看出,隨著焊接熱輸入的不斷增大,焊縫鏈狀小氣孔逐漸消失,焊縫的大氣孔數目也逐漸減少,焊縫氣孔率顯著降低,當熱輸入達到4 400 J/cm,焊縫氣孔消失。這說明,在環境濕度較大時,提高焊接熱輸入能夠抑制因濕度問題而帶來的焊縫氣孔問題。

圖6 氣孔率及大氣孔數目隨焊接熱輸入的變化

2.2.3 拉伸性能

圖7 拉伸試樣

圖8 抗拉強度

圖7 和圖8給出了高濕度下刮削處理及不處理在對應焊接速度下的焊縫拉伸試驗結果,從圖中可看出,拉伸斷口都位于熱影響區,焊接速度為0.4 m/min時,焊縫的抗拉強度最低,比正常焊接速度的抗拉強度約下降14%。所以,當環境濕度較大時,降低焊接速度,提高焊接熱輸入能夠抑制因不處理型材表面氧化膜而帶來的焊縫氣孔問題,但是會加劇MIG弧焊焊縫接頭的軟化程度。

3 結論

(1)濕度在5% ～10%時,鋁合金表面氧化膜處理與否對焊縫成形、接頭拉伸、組織金相沒有明顯影響。低濕度條件下,氧化膜對焊縫氣孔率影響不明顯。

(2)在濕度為40% ～50%時,氧化膜的存在對焊縫成形影響不明顯,會增加焊縫氣孔產生傾向。

(3)焊接熱輸入對因濕度帶來的焊縫氣孔問題有一定影響,提高焊接熱輸入能夠抑制該類氣孔的產生,針對6005A-T6高速列車車體型材,當熱輸入達到4 400 J/cm時,該類氣孔基本消除,但熱輸入的提高會使得焊縫的抗拉強度降低約14%。