不同脉冲频率对A6N01铝合金焊接接头组织的影响

2018-04-17 13:05张向钧陈刚辉丁志成

电焊机 2018年3期

关键词：鱼鳞焊丝母材

张向钧，陈刚辉，丁志成

（中车广东轨道交通车辆有限公司，广东江门529100）

0 前言

A6N01是一种可热处理强化的Al-Mg-Si系铝合金，大量应用于轨道列车侧墙、端墙等重要结构中[1-4]。脉冲MIG焊是焊接A6N01铝合金的主要方法，可调节参数较多。为了确保获得良好的焊接质量，应精细研究脉冲焊接的参数。

1 试验材料和方法

试验材料选用A6N01铝合金挤压型材，其抗拉强度310 MPa，屈服强度290 MPa、断后延伸率14%。焊接材料选用法国AIR LIQUIDE公司的φ1.2 mm ER5356焊丝。A6N01铝合金以及焊丝的化学成分如表1所示。

焊接试板为将铝型材加工成300 mm×150 mm×3 mm的铝板后两两对焊而成。选用φ（Ar）99.999%为保护气体，气体流量20～25 L/min。焊接设备采用奥地利IGM焊接机器人，主要由Fronius-5000MIG焊接电源、伺服电机驱动6轴联动系统、RCI控制柜、激光跟踪传感系统、行走轨道及示教器等组成。

A6N01S-T5焊接接头坡口形式示意如图1所示，实际焊接接头形式因板厚与单面坡口角度等因素，按照EN15085-3中的接头设计要求，允许有一定的装配误差。由于MIG焊机电源特性为平特性，设计对比试验中在相同热输入下改变脉冲频率进行研究。实际焊接工艺参数如表2所示。

表1 A6N01铝合金和焊丝的化学成分%

图1 A6N01S-T5脉冲MIG焊坡口形式示意

2 试验结果和分析

2.1 脉冲频率对焊缝表面成形的影响

脉冲频率 fx=｛0，1，2，3，4，5｝Hz的焊接接头的焊缝表面成形如图2所示。可以看出，不同脉冲频率焊接获得的焊缝均无明显的咬边、未焊透以及未熔合等缺陷。脉冲频率为0 Hz时，焊缝成形较好，焊缝边缘比较平齐、干净，无飞溅，但鱼鳞纹并不明显（见图2a）。脉冲频率为1Hz时，焊缝成形较差，焊缝边缘不平齐，呈现出规律性的凹凸波动曲线，金属熔滴过渡不充分，熔池未得到充分搅拌（见图2b）。脉冲频率为2Hz时，焊缝成形较1Hz的焊缝好，焊缝边缘较为平齐，熔滴过渡和搅拌更为充分一些，鱼鳞纹明显但比较稀疏，焊缝宽度不均匀（见图2c）。脉冲频率为3Hz，焊缝成形优于2 Hz的焊缝，焊缝边缘平齐，鱼鳞纹相对更密，焊缝宽度较为均匀，表面无飞溅（见图2d）。脉冲频率为4 Hz时，焊缝外观成形与3 Hz的焊缝相近，焊缝边缘较为平齐，鱼鳞纹较明显，表面无飞溅（见图2e）。脉冲频率为5 Hz时，焊缝外观成形较好，焊缝边缘平齐，焊缝鱼鳞纹较密集，表面干净，无飞溅，熔池得到较为充分的搅拌（见图2f）。

表2 焊接工艺参数

图2 不同脉冲频率的焊接接头焊缝成形

2.2 脉冲频率对焊接接头金相组织的影响

不同脉冲频率焊接接头截面的宏观形貌如图3所示。0 Hz的焊接接头截面呈上宽下窄的蘑菇状，且蘑菇头圆滑过渡，同时焊缝与母材之间过渡良好；1 Hz的焊接接头截面上部分与0 Hz的差别较大，其焊缝表层有一部分凸起，其余部分略高于母材，过渡良好；2 Hz的焊接接头截面形状与1 Hz的相近，但凸起部分较为圆滑，与焊缝本身过渡；3 Hz的焊接接头截面呈风筝状，上表面正中有部分焊缝金属凸起，呈平台状，整个上部焊缝与母材过渡基本圆滑；4 Hz的焊接接头截面形状为蘑菇状，焊缝与母材之间过渡较好；5 Hz的焊接接头截面形状也属于蘑菇状，焊缝与母材之间过渡良好。所有的焊缝截面均有气孔存在于焊缝内部及焊缝表面或者近表面，其中背面焊缝的气孔多于正面焊缝。3 Hz的正面焊缝宽度最宽，约为8.775 mm，5 Hz的正面焊缝宽度最小，约为6.865 mm；所有焊缝的高度较接近，约为6 mm。

图3 不同脉冲频率焊接接头截面形貌

脉冲频率为0～5 Hz的焊接接头焊缝、熔合区、热影响区以及母材的金相组织如图4～图9所示。焊缝区热输入很高，使得焊丝完全熔化，凝固速度缓慢，晶粒自然生长，不同脉冲频率获得的焊缝均为典型树枝状晶组成的铸态组织，但双脉冲MIG焊焊缝枝晶较为细小。焊缝主要以α（Al）固溶体为基体，在 α（Al）的晶界及枝晶间主要分布有 α（Al）+Mg的共晶组织，且在晶内有Mg2Si的质点析出。焊接接头熔合区是由基体金属和焊丝形成的一种交混合金相，靠近焊缝一侧为沿散热方向以联生结晶形式形成的柱状晶组织，而靠近基体一侧为等轴晶组织。热影响区仍然保持部分母材的特征，但部分晶粒较母材晶粒粗大，由于偏析等原因，晶界处有强化相析出。母材为典型的再结晶组织，晶粒较小，晶界不明显，但仍可见挤压加工后的纤维走向，同时母材中存在许多点状、条状以及棒状的析出相。