6061铝合金焊接接头液化裂纹分析

崔云龙, 汪认, 张世欣, 张仁航

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266111)

0 前言

6xxx系铝合金为可热处理强化铝合金,具有中等强度和良好的成形能力,耐腐蚀性能优异,在轨道交通车辆铝合金车体的底架、车顶、侧墙等大部件结构上得到了普遍应用[1-2]。6xxx系铝合金具有一定的焊接裂纹敏感性,其焊接接头容易产生热裂纹,6xxx系铝合金焊接裂纹的研究对提升接头质量有重要意义[3-4]。

在地铁车体某结构焊接工艺试验过程中,4 mm厚6061铝合金角接接头发现大量裂纹,裂纹缺陷对结构的安全可靠性造成了重大隐患。为了解决此问题,试验针对该焊接接头的金相组织、裂纹断口形貌、焊接工艺等进行研究,确定裂纹的性质,分析裂纹产生的机理及影响因素,提出解决措施。

1 缺陷概况

1.1 试验材料及焊接工艺

试验材料为4 mm厚6061P-T6铝合金,其中“P”表示材料为板材,“T6”表示材料的热处理状态为固溶处理后进行人工时效。焊接方法为MIG焊,所用填充材料为直径1.2 mm的ER5356焊丝。接头形式为普通角接接头,试板不开坡口、不留间隙,采用PB位置进行焊接,焊缝单道焊接成形,焊接参数为:焊接电流为140 A,电弧电压为21.0 V,焊接速度为7 mm/s,电弧修正系数为0。

1.2 裂纹缺陷

焊后待接头温度冷却至室温,对接头依次进行外观检测、渗透探伤和宏观金相检测。接头无损检测结果良好,焊缝正面成形美观,没有发现表面缺陷,但在后续宏观金相检测过程中发现焊接接头存在大量裂纹缺陷。

裂纹的宏观形貌如图1所示(见实线箭头)。可见,裂纹均分布于靠近焊缝的热影响区,裂纹到熔合线的距离不超过0.6 mm。

图1 裂纹的宏观形貌

根据焊缝形状,将接头热影响区划分为3个区域,焊缝下侧位于平板的热影响区为区域1,焊缝左侧位于立板的热影响区为区域2,焊缝上侧位于立板的热影响区为区域3。统计发现:95%的试样在区域1发现裂纹,裂纹呈条带状分布,大部分的裂纹肉眼可见,最长的裂纹长度超过5 mm;10%的试样在区域2发现裂纹,裂纹短小,长度仅0.2~0.4 mm;所有的试样在区域3都没有发现裂纹。

按照裂纹形成的原因及机理可将裂纹分为:热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹[5]。从原理上讲,铝合金焊接接头可能产生热裂纹和应力腐蚀裂纹,而本试验的焊接接头未在腐蚀介质中长时间存放,因此可以排除应力腐蚀裂纹。宏观金相显示裂纹均位于热影响区,由此可以确定该裂纹缺陷为热裂纹中的液化裂纹。

2 裂纹缺陷分析

2.1 焊接工艺

测量角焊缝尺寸,结果显示焊角a值为5.3~5.5 mm,远高于该结构的最低尺寸要求3 mm,焊角尺寸过大说明焊接所用工艺参数偏大,而过高的焊接热输入容易诱发铝合金接头产生热裂纹。试验中机械手控制的焊枪其中心线正对角焊缝根部,但所有的角焊缝中心线均向上偏离(见图1虚线箭头),角焊缝中心线与角焊缝根部的夹角为20°~30°,此现象与电弧的磁偏吹有关。

试验中地线接于平板,根据右手螺旋定则确定磁场方向,电弧周围磁场分布如图2所示。焊枪与平板间的磁场相互叠加,磁力线密度明显大于其他区域,电弧磁偏吹规律表现为电磁力把电弧从磁力线密集的一侧推向磁力线稀疏的一侧,导致电弧向上偏吹进而导致角焊缝中心线向上偏离[6]。

图2 接头的磁场分布

2.2 接头显微组织

图3为接头的显微组织形貌。图3a为母材的显微组织,母材的晶粒粗大,形状呈长条形,晶粒内弥散分布有大量Mg2Si相颗粒,其尺寸可达10~20 μm。图3b为区域1的显微组织,与母材对比可知热影响区组织受焊接热作用发生晶界液化,距熔合线0.6 mm范围内晶界液化显著,裂纹沿晶界分布、扩展,晶粒内Mg2Si相聚集长大。将区域1显微组织进一步放大进行观测,在图3c中可以发现晶粒内存在亚晶(见箭头)和环绕在α(Al)+Mg2Si共晶周围的贫溶质α(Al)相(见白色圆圈)。

图3 接头的显微组织

裂纹在热影响区沿晶界分布、扩展,证明此裂纹是液化裂纹。当热影响区组织的温度达到共晶温度TE时,Mg2Si相和α(Al)相发生共晶反应,生成α(Al)+Mg2Si共晶液相;当温度达到共晶温度TE以上时共晶液相周围的基体α(Al)相会进一步发生溶解,生成亚共晶液相。亚共晶成分液相在冷却过程中先析出贫溶质α(Al)相再析出共晶相,由此形成图2c中α(Al)+Mg2Si共晶外围环绕贫溶质α(Al)相的结构[7]。热影响区晶粒内部及晶界处存在大量贫溶质α(Al)相显示热影响区组织受焊接热作用长时间处于共晶温度TE以上,进一步证明该试验所用焊接参数偏大。

铝合金材料在热加工过程中晶粒沿变形方向伸长,伴随着动态回复晶粒内部会产生大量亚晶结构。在固溶过程中随着无畸变晶粒的成核、长大,亚晶结构会消失于再结晶晶粒中[8]。热影响区组织包含大量亚晶结构,说明试验所用6061P-T6铝合金固溶处理程度不够,固溶温度或固溶时间未达标,导致再结晶过程不完全。受此影响母材组织内仅有少量细小的再结晶晶粒,基本保留了热加工过程结束后所形成的长条状大晶粒,而粗大的晶粒会大幅提高材料的液化裂纹敏感性。固溶处理程度不够也导致Mg2Si相未能完全溶于母材,残存的Mg2Si相在后续的人工时效过程中聚集长大,因此母材中的Mg2Si相颗粒尺寸偏大。

2.3 裂纹的断口形貌

裂纹的断口形貌如图4所示。图4a为低倍扫描电镜断口形貌,断口呈现沿晶开裂的特征,其表面由多个“台阶”组成(台阶边界由虚线表示),“台阶”表面较为平坦,其尺寸、形状与图3所示的晶粒一致。将圆圈内结构进一步放大进行观测,由图4b可知断口表面光滑,不存在滑移、韧窝等韧性断裂特征,也不存在解理、准解理等脆性断裂特征。断口表面覆盖着低熔共晶薄膜,存在明显的“液相桥”特征,薄膜下面的亚晶结构清晰可见[9]。裂纹断口观测结果与显微组织特征相吻合,进一步验证该缺陷为液化裂纹。

图4 裂纹的断口形貌

2.4 裂纹产生机理

材料晶粒尺寸越粗大,焊接时越容易在热影响区的晶界形成低熔点元素偏析,进而引发晶界液化,减弱晶粒间的连接。焊接热输入越大,热影响区的晶界液化越显著,同时冷却过程中热影响区组织受到的拉应力越大[10]。如前所述,试验所用6061P-T6铝合金固溶处理程度不够,导致晶粒粗大,而且试验所用焊接工艺参数过大,焊接热输入过高。以上因素导致热影响区的晶界显著液化,同时承受较大的拉应力,最终在力学因素和冶金因素的共同作用下产生结晶裂纹。

该试验中,区域1的液化裂纹多发,而区域3未发现液化裂纹,这一现象与焊缝形状、晶粒取向有关。焊接过程中,距熔合线0.6 mm范围内的热影响区晶界液化较为显著(参照2.2节),于此同时,热影响区晶粒受到焊缝牵拉,拉应力方向近乎与熔合线垂直。晶界液化及晶粒受力情况如图5所示,将晶粒简化为长方形,交错排布,液化的晶界以粗实线表示。由图5a可知,受电弧磁偏吹影响,区域1的熔合线与晶粒长边平行,2~3层晶粒的晶界完全液化,晶粒长度方向受到拉应力的直接作用;由图5b可知,区域3的熔合线与晶粒长度方向呈30°~60°夹角,晶界完全液化的晶粒层数明显少于区域1,将拉应力分解,只有部分拉应力垂直作用在晶粒长度方向。与区域3相比,区域1的微观组织更加敏感,晶粒受拉应力状况更严峻,因此液化裂纹发生率明显更高。

图5 晶界液化及晶粒受力情况

3 改进措施及效果

为了解决此裂纹缺陷,首先将焊接工艺参数由焊接电流140 A、电弧电压21.0 V、焊接速度7 mm/s调整为电流120 A、电压20.0 V、焊接速度9 mm/s,经此调整,焊接热输入由0.42 kJ/mm减少至0.27 kJ/mm,焊接热输入显著减少,接头所受拉应力有所下降。其次,针对电弧磁偏吹反向调整焊枪角度,在原有角度基础上将焊枪向平板方向偏转8°~10°,同时将电弧修正系数由0改为-4,压缩导电嘴到工件的距离2~3 mm,经调整,角焊缝中心线与角焊缝根部的夹角控制在5°以内,焊缝形状得到优化,区域1的熔合线与晶粒长边呈20°~25°夹角,晶粒的受力状况也得到改善。最根本的措施在于加强对材料质量的管控,试验选用晶粒更细小的6061P-T6铝合金进行后续焊接,降低材料的液化裂纹敏感性。

通过调整焊接工艺参数、改善焊缝形状、改换优质材料,新一批试样的宏观金相检测过程中未发现裂纹缺陷,此结构液化裂纹的问题得以解决。

4 结论

(1)对6061铝合金裂纹的分布特征、显微组织及断口形貌进行分析,研究结果表明该裂纹为液化裂纹。

(2)该裂纹缺陷存在的三个重要诱因:材料晶粒尺寸粗大;焊接热输入过高;电弧的磁偏吹导致焊缝中心线向上偏离。

(3)通过选用晶粒细小的母材、降低焊接热输入、改善焊缝形状,此结构液化裂纹的问题得以解决。