補焊對5754鋁合金焊接接頭組織和性能的影響

徐仲勛 王志剛 李小欣

(1.平高集團有限公司，河南 平頂山 467001； 2. 平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001； 3. 平高集團焊接技術及壓力容器實驗室，河南 平頂山 467001)

5754鋁合金具有良好的焊接性能，常用于制作特高壓氣體絕緣輸電線路(gas-insulated transmission line, GIL)的外殼。氣體絕緣輸電線路是采用 SF6等氣體作為絕緣介質、以接地的金屬外殼封閉的輸電線路，其長度超長，并在隧道等復雜環境中使用[1]，因此對外殼的氣密性要求極高，焊接質量是影響其氣密性的主要因素之一。生產中，由于外殼的焊縫有焊接缺陷，其一次合格率偏低，需對焊縫進行修補。壓力容器標準規定，焊縫同一部位的返修次數不宜超過2次。但實際上卻存在焊縫同一部位返修2次仍不合格的情況，需再次返修。同時，修補焊縫時，由于增加了焊接熱輸入，焊接接頭的顯微組織會發生變化，導致接頭性能變化[2]。本文采用手工鎢極氬弧焊對5754鋁合金焊縫的同一部位進行了1～3次補焊，檢測了焊接接頭的顯微組織和力學性能，目的是揭示焊縫修補對該合金焊接接頭組織和性能的影響，為實際生產提供參考[3- 4]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為尺寸10 mm×125 mm×500 mm的5754- H111鋁合金板，填充材料為φ5 mm的Al5356焊條，兩者的化學成分見表1。

表1 試驗用5754鋁合金和Al5356焊條的化學成分(質量分數)

1.2 焊接工藝

焊接接頭為35°坡口、無鈍邊的對焊接頭，其截面示意圖見圖1，焊縫余高h為0～3 mm，熔寬c為(b+4)～(b+8) mm，在焊接裝配時，焊接接頭間隙b為0～2.5 mm。焊接工藝為手工鎢極氬弧焊，單面焊接雙面成形。

圖1 焊接接頭截面示意圖

焊接了4組焊接接頭，編為0～3號，0號為1次焊接即未經補焊的接頭，1～3號分別為補焊1～3次的接頭。4組接頭的首次焊接工藝相同。焊前采用機械方法清理試板正反面距離坡口中心25 mm范圍內的氧化物和污物。由于鋁合金的化學活性較大，清理后3 h內完成焊接。焊接工藝參數見表2。

1～3號接頭的補焊方案見表3。對1～3號接頭同一部位分別進行1、2和3次補焊，補焊前均采用機械方法清理待焊處，補焊工藝參數見表4。

表4 補焊工藝參數

表3 1～3號焊接接頭的補焊方案

1.3 質量檢驗

按照GB/T 228—2002制備拉伸試樣，在EW- 100B 型液壓萬能試驗機上以1 mm/min的速率進行拉伸試驗，抗拉強度取3個試樣的平均值。采用HV- 50型維氏硬度計測定焊縫、熱影響區和母材的硬度。

采用線切割方法沿垂直于焊接方向制備焊接接頭金相試樣，試樣在1%(體積分數，下同)氫氟酸(HF)+1.5%鹽酸(HCl)+2.5%硝酸(HNO3)的混合酸溶液中腐蝕20～30 s，然后在光學顯微鏡下觀察組織形貌。

2 結果與分析

2.1 顯微組織

圖2為焊接接頭熱影響區的顯微組織。由圖2可知，熱影響區組織與母材相似，但有再結晶特征。圖3為焊接接頭焊縫區的顯微組織，均為胞狀樹枝晶。

圖2 焊接接頭熱影響區的顯微組織

圖3 焊接接頭焊縫區的顯微組織

熱影響區組織主要是α固溶體和彌散分布的β(Al3Mg2)相。焊縫區組織由α固溶體、樹枝狀β(Al3Mg2)相和Al6Mn相組成，晶界還有顆粒狀Mg2Si相和針狀Al3Fe相[5]。根據Al- Mg合金相圖，鎂在鋁中的溶解度隨溫度的降低而減小。隨著溫度的下降，當鎂含量超過固溶度時，便會析出金屬間化合物β(Al3Mg2)。焊接過程中，由于鋁合金導熱較快，焊接后焊縫的冷卻較快，結晶過程為非平衡過程，得到的組織是非平衡態組織。焊縫在冷卻過程中以較大的速度結晶，由液態生成的α- Al中的鎂來不及擴散均勻化，致使鋁在尚未凝固的液相中富集，并超過溶解度極限，使凝固組織中產生共晶組織，隨著鎂含量的增加，β(Al3Mg2)相析出量增加。從圖2、圖3可知，補焊接頭的晶粒比未補焊的接頭晶粒粗大，且隨著補焊次數的增加，晶粒變得更為粗大。這是由于在焊接熱的作用下，α固溶體中的第二相粒子反復固溶、析出和長大所致。

2.2 拉伸性能

拉伸試樣分別標記為0- 1、0- 2、0- 3、1- 1、1- 2、1- 3、2- 1、2- 2、2- 3、3- 1、3- 2、3- 3，拉伸試驗結果列于表5。

表5 焊縫的抗拉強度

拉伸試樣斷裂的部位均為熱影響區，表明該區域是焊接接頭的薄弱部位。表6數據表明，焊接接頭的抗拉強度低于母材，為母材抗拉強度的80%～85%；0～2號接頭的抗拉強度高于退火態母材強度190 MPa，抗拉強度從高到低依次為母材>2號>1號>0號>3號。焊接過程中，由于焊接熱的反復作用，熱影響區的最高溫度超過再結晶溫度，導致析出相(Al3Mg2)聚集長大而產生軟化，接頭強度下降，因此焊接接頭熱影響區的強度最低。

在焊接熱的反復作用下，當熱影響區達到一定溫度后，有第二相從熱影響區的過飽和固溶體中析出，組織由固溶體和析出相組成。隨著補焊次數的增多，熱影響區多次升、降溫，第二相反復從固溶體中析出和溶入，由于補焊的熱量輸入較少，熱影響區溫度比正常焊接時的低，達不到合金元素在固溶體中達到最大溶解度的溫度，析出的第二相不能完全溶入固溶體，導致第二相增多，抗拉強度提高，所以接頭的抗拉強度從高到低依次為2號>1號>0號。補焊3次的接頭抗拉強度下降是由于熱影響區反復受熱、晶粒粗化所致。

2.3 硬度

對焊接接頭從焊縫中心向母材逐點測定硬度，4組接頭焊縫區的硬度分布如圖4所示。

圖4表明：隨著與焊縫中心距離的增大，硬度逐漸降低，熱影響區最低，隨后逐漸增加， 最終達到母材的原始硬度，這與上述熱影響區軟化是一致的。1號、2號接頭熱影響區硬度略高于0號接頭，其原因是，接頭補焊時，第二相析出量增多，硬度提高；3號接頭熱影響區硬度最低是晶粒粗化所致。由圖4可知，3號接頭焊縫區硬度低于0、1、2號，這與上述補焊次數增加、焊縫區晶粒粗化有關。

圖4 焊縫區的硬度分布

3 結論

(1)5754- H111鋁合金1次焊接和多次補焊的接頭熱影響區均發生了再結晶，焊縫區為胞狀樹枝晶，經過補焊的接頭晶粒比未經補焊的接頭粗大，且晶粒隨著補焊次數的增加而粗化。

(2)1次焊接和補焊后的接頭熱影響區均發生軟化，拉伸試樣均斷裂在熱影響區，1次焊接和經1、2次補焊的接頭的抗拉強度沒有明顯差異，經過3次補焊的接頭強度明顯降低。

(3)1次焊接和補焊的接頭熱影響區硬度最低，由于第二相的強化效應，補焊1次和2次的接頭硬度略高于未經補焊的接頭，補焊3次的接頭由于晶粒粗大，硬度明顯降低。

(4)補焊3次的接頭性能較補焊1次、2次的接頭差，在實際生產中，GIL外殼焊接缺陷的修補不宜超過2次。