魏保立，羅 坤，付 偉，羅麗蘭

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460；2.華東交通大學(xué)，江西 南昌 330013)

properties

2A14鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、可切削性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶和航空航天等領(lǐng)域。雖然它具有良好的物理性能，但是作為結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)卻由于焊接性差而限制了其應(yīng)用范圍，如果采用低強(qiáng)度異質(zhì)焊絲焊接2A14鋁合金其焊接接頭力學(xué)性能顯著下降[1]。2A14鋁合金熱裂傾向大，通過(guò)對(duì)焊接熔池進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)，有希望降低其熱裂傾向。振動(dòng)焊接技術(shù)作為一種在焊接過(guò)程中施加周期性振動(dòng)的新型焊接工藝，在鋼鐵和鎂合金等領(lǐng)域已經(jīng)較為廣泛應(yīng)用[2-3]，并被證實(shí)可以提高焊接接頭的質(zhì)量。目前有一些防止鋁合金焊接熱裂紋的特殊工藝措施，如橫向或縱向的電弧振蕩等，但是關(guān)于2A14鋁合金振動(dòng)焊接的研究報(bào)道很少。本項(xiàng)目嘗試將機(jī)械振動(dòng)引入2A14鋁合金的TIG焊接過(guò)程中，考察機(jī)械振動(dòng)參數(shù)對(duì)其焊接接頭力學(xué)性能和顯微組織的影響，并探討振動(dòng)焊接的作用機(jī)制，為振動(dòng)焊接技術(shù)在船舶用鋁合金焊接中的應(yīng)用及提高其焊接接頭整體性能提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?A14-T4鋁合金板，鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)焊絲為Φ1.2 mmER4043鋁合金焊絲(執(zhí)行《GB/T 10858-2008鋁及鋁合金焊絲》標(biāo)準(zhǔn))，母材和焊絲的化學(xué)成分如表1。

表1 試驗(yàn)合金和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of test aluminum alloy and welding wire(wt/%)

采用線切割方法從母材上截取120 mm×80 mm×4 mm塊狀試樣，坡口角度為60°， 清洗、吹干后采用Maxstar 200DX TIG焊機(jī)進(jìn)行單面單層焊接，焊接過(guò)程中使用琴鍵式卡具對(duì)接鋁合金試板并固定在電磁吸合式振動(dòng)臺(tái)上，機(jī)械振動(dòng)頻率范圍為0～200 Hz、機(jī)械振動(dòng)幅度可調(diào)范圍為0～5 mm，焊接示意圖如圖1。在機(jī)械振動(dòng)作用下TIG焊接工藝參數(shù)：焊接電流100 A～130 A，焊接速度12 cm/min，送絲速度為220 cm/min，機(jī)械振動(dòng)控制在0.02 mm～0.08 mm、機(jī)械振動(dòng)頻率控制在25 Hz～55 Hz范圍。

圖1 機(jī)械振動(dòng)輔助TIG焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical-vibration assisted TIG welding

參照GB/T 2651-2008 《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法 》在焊接接頭上截取橫向拉伸試樣，在MTS萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為2 mm/min；在威爾遜Tukon 2500全自動(dòng)維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，載荷為5 N，保持載荷時(shí)間為15 s；線切割塊狀金相試樣，經(jīng)水磨砂紙打磨、機(jī)械拋光和0.5 mL HF+99.5 mL H2O溶液腐蝕后，在OLymplus IX83金相顯微鏡上觀察其金相組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接電流(焊接速度12 cm/min)的影響

在未施加機(jī)械振動(dòng)條件下，考察焊接電流對(duì)2A14鋁合金焊接接頭拉伸性能的影響，結(jié)果如表2。

表2 焊接電流對(duì)2A14鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響Table 2 Effect of welding current on mechanical properties of 2A14 aluminum alloy welded joint

隨著焊接電流增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都呈現(xiàn)出先增加而后減小的特征，在焊接電流為120 A時(shí)得到最大值。在其他工藝參數(shù)一定條件下，焊接電流的增加會(huì)使熔核直徑增大，從而提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度；但是當(dāng)焊接電流過(guò)大時(shí)，焊接熱輸入增加，焊縫在高溫停留的時(shí)間更長(zhǎng)，晶粒會(huì)在一定程度上發(fā)生長(zhǎng)大[4]，從而降低焊接接頭的強(qiáng)度和塑性；此外，過(guò)高的焊接電流還可能增加焊縫組織中的焊接缺陷，對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響[5]。從焊接接頭的斷裂位置上看，除焊接電流為100 A時(shí)的焊接接頭斷裂在靠近熔合線位置之外，其他焊接電流下的焊接接頭的斷裂位置都位于焊縫中心，由此可見(jiàn)在較小的焊接電流條件下，焊接接頭靠近熔合線的區(qū)域是薄弱區(qū)域，而提高焊接電流后，焊接接頭的薄弱區(qū)域轉(zhuǎn)移至焊縫中心。

圖2為焊接電流為100 A～130 A時(shí)2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的金相組織。對(duì)比分析可見(jiàn)，4種焊接電流條件下，焊縫中心的組織都為α固溶體+第二相；在焊接電流為100 A時(shí)，α固溶體的二次枝晶較為細(xì)長(zhǎng)，但是隨著焊接電流的增加，二次枝晶逐漸變短，在焊接電流增加至120 A時(shí)α固溶體中可見(jiàn)明顯的等軸樹(shù)枝晶存在，且在焊接電流達(dá)到130 A時(shí)，二次枝晶基本消失。此外，對(duì)比分析可見(jiàn)，隨著焊接電流增加，α固溶體有逐漸粗化的特征，二次枝晶逐漸變短直至消失。這主要與焊接電流帶來(lái)的焊接熱輸入不同有關(guān)，較小的焊接電流下，焊接熔池的冷卻速度相對(duì)較快，形核率較高，焊縫組織相對(duì)較為細(xì)小[6]；隨著焊接電流的增加，焊接熔池冷卻速度較慢，焊縫在高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)而使得晶粒發(fā)生粗化；此外，焊接熱輸入的增加還會(huì)減小α固溶體樹(shù)枝晶上二次枝晶的生長(zhǎng)速度[7]，使其從細(xì)長(zhǎng)狀演變?yōu)橛侄逃执种敝料В辉诤附与娏鳛?30 A時(shí)，焊縫中心還存在相對(duì)較小焊接電流下更小的氣孔缺陷，在一定程度上會(huì)降低焊接接頭的力學(xué)性能。

圖2 不同焊接電流下2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的顯微組織Fig.2 Microstructure of weld center of 2A14 aluminum alloy welded joint under different welding current

2.2 機(jī)械振幅的影響

固定焊接電流為120 A、機(jī)械振動(dòng)頻率為25 Hz不變，機(jī)械振動(dòng)幅度對(duì)2A14鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響如表3。隨著機(jī)械振幅增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都表現(xiàn)為先升高而后減小的趨勢(shì)，在機(jī)械振幅為0.06 mm時(shí)得到抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率最大值。與未施加機(jī)械振動(dòng)的焊接接頭相對(duì)比可知，除機(jī)械振幅為0.02 mm時(shí)的抗拉強(qiáng)度與之相當(dāng)外，其余機(jī)械振幅下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都要明顯高于未施加機(jī)械振動(dòng)的。從斷裂位置來(lái)看，4種不同機(jī)械振幅下的焊接接頭都斷裂在焊縫靠近熔合線處，這也就說(shuō)明焊接接頭部位最薄弱的區(qū)域在靠近熔合線處；與相同焊接電流而無(wú)振動(dòng)條件下的焊接接頭斷裂位置(焊縫中心)相對(duì)比可知，經(jīng)過(guò)機(jī)械振動(dòng)處理后，焊接接頭的最薄弱區(qū)域發(fā)生了轉(zhuǎn)移，從焊縫中心轉(zhuǎn)移至焊縫靠近熔合線位置，且焊接接頭的力學(xué)性能高于未施加機(jī)械振動(dòng)的。

表3 機(jī)械振幅對(duì)2A14鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響Table 3 Effect of mechanical amplitude on mechanical properties of 2A14 aluminum alloy welded joint

圖3為不同機(jī)械振幅下2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的光學(xué)顯微組織，其中，振動(dòng)方向在圖左上角標(biāo)出，并用白色圓框標(biāo)出α固溶體中的等軸樹(shù)枝晶，白色箭頭指晶粒的生長(zhǎng)方向。在機(jī)械振動(dòng)作用下，焊接接頭焊縫中心都由α固溶體和二次枝晶組成，其中樹(shù)枝晶與振動(dòng)方向呈小角度生長(zhǎng)。在機(jī)械振幅為0.02 mm時(shí)，等軸樹(shù)枝晶尺寸較大(白色圓框)、胞狀樹(shù)枝晶較?。划?dāng)機(jī)械振幅增加至0.04 mm及以上時(shí)，焊縫中心的等軸晶尺寸有所減小，而胞狀樹(shù)枝晶尺寸有所增加；在機(jī)械振幅為0.08 mm時(shí)，等軸樹(shù)枝晶已經(jīng)非常細(xì)小，而胞狀樹(shù)枝晶較長(zhǎng)。在機(jī)械振動(dòng)條件下，等軸樹(shù)枝晶中垂直于振動(dòng)方向的二次枝晶臂會(huì)在沖擊和碰撞作用下發(fā)生斷裂，且機(jī)械振幅越大則枝晶臂愈發(fā)容易斷裂[8]，而與振動(dòng)方向平行的二次枝晶臂受影響較小而基本保留其固有形態(tài)；此外，機(jī)械振動(dòng)過(guò)程中斷裂的枝晶臂會(huì)作為異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)而起到增加形核率、細(xì)化晶粒的作用，且機(jī)械振幅越大則晶粒細(xì)化效果越顯著，細(xì)晶強(qiáng)化效果越大，而過(guò)大的機(jī)械振幅可能會(huì)造成焊接接頭中氣孔等缺陷的形成[9]，力學(xué)性能反而會(huì)有所降低。

圖3 不同機(jī)械振幅下焊接接頭焊縫中心的顯微組織Fig.3 Microstructure of weld joint center under different mechanical amplitudes

2.3 機(jī)械振動(dòng)頻率的影響

固定焊接電流為120 A、機(jī)械振幅為0.02 mm不變，機(jī)械振動(dòng)頻率對(duì)2A14鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響如表4。隨著機(jī)械振動(dòng)頻率的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都表現(xiàn)為先升高而后減小的趨勢(shì)，在機(jī)械振動(dòng)頻率為45 Hz時(shí)得到最大值，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為312 N/mm2和5.11%。從斷裂位置來(lái)看，不同機(jī)械振動(dòng)頻率下焊接接頭的斷裂位置都處于焊縫靠近熔合線位置，這也說(shuō)明，在室溫拉伸過(guò)程中焊接接頭最薄弱區(qū)域位于焊縫靠近熔合線處，相較于未施加機(jī)械振動(dòng)時(shí)最薄弱區(qū)域在焊縫中心有所改變，這主要是因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)可以改善焊縫顯微組織的緣故。

表4 機(jī)械振動(dòng)頻率對(duì)2A14鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響Table 4 Effect of mechanical vibration frequency on mechanical properties of 2A14 aluminum alloy welded joint

圖4為不同機(jī)械振動(dòng)頻率下2A14鋁合金焊接接頭焊縫中心的光學(xué)顯微組織，其中，振動(dòng)方向在圖左上角標(biāo)出，并用白色圓框標(biāo)出α固溶體中的等軸樹(shù)枝晶，白色箭頭指晶粒的生長(zhǎng)方向。在較低的機(jī)械振動(dòng)頻率下(25 Hz)，等軸樹(shù)枝晶尺寸可達(dá)90 μm，胞狀樹(shù)枝晶呈細(xì)長(zhǎng)狀；隨著機(jī)械振動(dòng)頻率的增大，胞狀樹(shù)枝晶變粗變短，而等軸樹(shù)枝晶不斷細(xì)化；在較高的機(jī)械振動(dòng)頻率(55 Hz)下，等軸樹(shù)枝晶尺寸已經(jīng)減小至50 μm左右，而胞狀樹(shù)枝晶已經(jīng)較為短小。與不同機(jī)械振幅下焊接接頭焊縫中心等軸樹(shù)枝晶相似的是，在不同機(jī)械振動(dòng)頻率下，等軸樹(shù)枝晶的垂直于振動(dòng)方向的二次枝晶臂會(huì)發(fā)生斷裂，且機(jī)械振動(dòng)頻率越大則斷裂概率越高，最終形成了與振動(dòng)方向基本一致的胞狀樹(shù)枝晶[10]。此外，斷裂枝晶臂會(huì)在焊接熔池中成為異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)而起到增加形核率、細(xì)化晶粒的作用，且機(jī)械振動(dòng)頻率越大則晶粒細(xì)化效果越顯著。但是同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，機(jī)械振動(dòng)頻率并不是越大越好，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)頻率過(guò)大時(shí)(55 Hz)，焊縫中心顯微組織中會(huì)出現(xiàn)氣孔等缺陷從而降低焊接接頭的力學(xué)性能。

圖4 不同機(jī)械振動(dòng)頻率下焊接接頭焊縫中心的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld joint center under different mechanical vibration frequency

從上述的不同焊接電流、機(jī)械振幅和機(jī)械振動(dòng)頻率對(duì)2A14鋁合金焊接接頭力學(xué)性能和顯微組織的影響規(guī)律可知，當(dāng)焊接電流為120 A、機(jī)械振幅為0.06 mm、機(jī)械振動(dòng)頻率為45 Hz時(shí)，2A14鋁合金焊接接頭具有最佳的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的結(jié)合。在2A14鋁合金TIG焊接過(guò)程中施加機(jī)械振動(dòng)，可以明顯改善合金的焊縫組織和強(qiáng)、塑性，拉伸過(guò)程中焊接接頭最薄弱區(qū)域從焊縫中心轉(zhuǎn)變至焊縫靠近熔合線位置；增加機(jī)械振幅和機(jī)械振動(dòng)頻率都可以有效細(xì)化焊縫中心組織，但是并不是機(jī)械振幅或者機(jī)械振動(dòng)頻率越大越好，如果機(jī)械振動(dòng)參數(shù)過(guò)大，則會(huì)在焊縫中形成氣孔等缺陷，反而使得焊接接頭的力學(xué)性能降低。

3 結(jié) 論

1)未施加機(jī)械振動(dòng)條件下(焊接速度不變)，隨著焊接電流的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都呈現(xiàn)出先增加而后減小的特征，在焊接電流為120 A時(shí)得到最大值；除焊接電流為100 A時(shí)的焊接接頭斷裂在靠近熔合線位置處外，其他焊接電流下的焊接接頭的斷裂位置都位于焊縫中心。

2)隨著機(jī)械振幅增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都表現(xiàn)為先升高而后減小的趨勢(shì)，在機(jī)械振幅為0.06 mm時(shí)得到抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率最大值；除機(jī)械振幅為0.02 mm時(shí)的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度與未施加機(jī)械振動(dòng)時(shí)相當(dāng)外，其余機(jī)械振幅下焊接接頭的強(qiáng)、塑性都要明顯高于未施加機(jī)械振動(dòng)的；4種不同機(jī)械振幅下的焊接接頭都斷裂在焊縫靠近熔合線處。

3)隨著機(jī)械振動(dòng)頻率的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都表現(xiàn)為先升高而后減小的趨勢(shì)，在機(jī)械振動(dòng)頻率為45 Hz時(shí)得到最大值；從斷裂位置來(lái)看，不同機(jī)械振動(dòng)頻率下焊接接頭的斷裂位置都在焊縫靠近熔合線處。