高强铝合金双丝GMAW焊接工艺Word文件下载.docx
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1.1.2铝合金历史发展1
1.1.3铝的特性1
1.22519高强度铝合金2
1.2.12519高强度铝合金力学性能2
1.2.22519高强度铝合金组织与性能2
1.2.32519铝合金热变形组织演化3
1.2.42519铝合金的均匀化热处理3
1.3课题研究的内容和意义4
1.3.1课题研究的内容4
1.3.2课题研究的意义4
第2章实验材料、设备及方法5
2.1实验材料5
2.1.1母材5
2.1.2焊接材料5
2.2实验设备5
2.2.1焊接设备5
2.2.2拉伸性能检测设备7
2.2.3维氏硬度测试设备7
2.2.4光学金相显微观察设备8
2.3实验方法9
第3章实验结果与分析11
3.1焊接接头焊缝表面和组织分析11
3.1.1DL焊缝表面分析11
3.1.2XS焊缝表面分析11
3.1.32519铝合金焊接接头显微组织12
3.22519高强度铝合金焊接接头的硬度分布14
3.2.1铝合金焊接接头硬度分析14
3.2.22519铝合金焊缝区硬度分析14
3.3接头的抗拉伸实验结果及分析15
3.4焊接接头冲击试验结果及分析16
第4章结论17
参考文献18
致谢19
第1章绪论
1.1高强度铝合金简介
1.1.1铝合金应用
铝合金是工业当中最广泛应用的一类有色金属结构材料,在航天、航空、汽车及机械制造船舶和化学工业中大量的使用。
在工业经济的飞速发展的时代,对于铝合金焊接结构的需求日益增加,使得铝合金的焊接性能也变得更加深奥和困难。
1.1.2铝合金历史发展
氧化铝在1808年在实验室利用电解还成为铝材,于1884年即被作为建筑材料使用在美国华盛顿纪念碑尖顶上至今;
铝材加入各种金属元素合成的铝合金材料已被建筑工业广泛应用在各环节上。
1908年美国铝业公司发明电工铝合金1050,并制成钢芯铝绞线,开创高压远程输电先锋。
1915年美国铝业公司发明2017合金,1933年发明2024合金,使铝在航空器中的应用得以迅速扩大。
1933年美国铝业公司发明6061合金,随即创造了挤压机淬火工艺,显著扩大了挤压型材应用范围。
1943年美国铝业公司发明了6063合金及7075合金,开创了高强度铝合金的新纪元。
1965年美国铝业公司又发明了A356铸造铝合金,这是经典铸造铝合金。
1.1.3铝的特性
纯铝的密度小,密度:
ρ=2.7g/cm3,是铁的1/3,熔点比较低,熔点是660℃,铝是面心立方结构,还有很高的塑性,δ:
32~40%,ψ:
70~90%,容易加工,可制作各种型材、板材,它的抗腐蚀性能比较好。
纯铝的强度很低,退火状态比较好,不适合作结构材料。
人们逐渐以加入合金元素并且运用热处理等方法来强化铝,经过长期的生产实践和科学实验,得到了一系列的铝合金。
添加一定的元素形成的合金,在保正纯铝质量轻的优点的同时还能具有很高的强度,σb值可达24~60kgf/mm2。
这样使得它的“比强度”强过很多的合金钢,是理想的结构型材料,广泛用于机械制造、动力机械、运输机械及航空工业等方面,飞机的机身、压气机等常以铝合金制造,减轻自重。
采用铝合金来代替钢板材料的焊接,重量可减少一半以上。
1.22519高强度铝合金
1.2.12519高强度铝合金力学性能
通过拉伸测试、扫描电镜与透射电镜等方法,来研究液氮温度和室温下2519铝合金板材的拉伸力学性能。
实验研究结果表明:
当变形温度由293K降至77K时,合金纵向抗拉强度由493.64MPa升至607.35MPa,提高了23.1%,屈服强度由454.83MPa上升到516.53MPa,提高了13.7%;
而且合金低温横向抗拉强度与屈服强度分别提高了23.6%和20.0%。
低温变形时合金纵向、横向伸长率均有一点提高。
这是由于在低温变形过程中抑制平面滑移,变形均匀性增强,加工硬化指数增加,导致材料的强度增加,塑性提高。
1.2.22519高强度铝合金组织与性能
使用进口4047焊丝对2519铝合金进行MIG焊,对焊接接头的力学性能和显微组织进行了研究。
研究表明,2519铝合金的焊接性能比较好,因为热循环的作用,焊接接头的力学性能相对于基材发生了比较大的变化。
2519铝合金焊接接头的力学性能低于基材的性能,恰恰铝合金最薄弱环节是焊缝处,然后是焊接热影响区内的软化区,而形成软化区的主要原因是强化相粒子发生过时效而粗化。
2519铝合金是Al-Cu系热处理可强化合金,是20世纪80年代开发的一种新型装甲铝合金,虽然说2519铝合金有着良好的综合性能,但在焊接过程当中受到焊接热输入的影响,组织结构发生了变化,焊缝及焊接热影响区里面的合金性能发生了变化,严重的影响了装甲车体焊接构件总体强度和使用寿命。
图1.12519铝合金焊接接头显微组织
2519高强铝合金是一种新型装甲材料,具有比较高的比强度和比刚度以及良好的加工和力学性能,其优点是其在抗弹性能不低于原7039装甲铝合金前提下,在海水及盐雾环境下的抗应力腐蚀性能明显提高,到目前为止是制造轻型装甲战车的比较理想的材料。
1.2.32519铝合金热变形组织演化
使用Gleeble-1500热模拟实验机研究2519铝合金高温变形组织演化行为。
分析合金在不同压缩条件下的组织形貌特征时,利用光学显微镜(OM)及透射电子显微镜(TEM)。
实验表明,2519铝合金在变形温度为300~450℃、应变速率为0.01~1s-1的条件下,仅发生动态回复;
而在变形温度为350~450℃,变形速率达到10s-1的条件下变形时,发生动态再结晶,动态再结晶机制为几何动态再结晶和连续动态再结晶。
Gleeble-1500热模拟机进行高温等温的压缩实验,研究了2519铝合金在变形温度为300~450℃、应变速率为0.01~10s-1条件下的流变变形行为。
实验结果表明,变形温度和应变速率对合金流变应力的大小有明显影响,流变应力与温度成反比,随温度升高而降低,与变速率成正比,随应变速率的提高而增大。
在应变速率ε·
<
10s-1前提下,流变应力开始随应变增加而增大,达到峰值后趋于平稳,表现出动态回复的特征;
而在ε·
=10s-1,t≥350℃的变形条件下,铝合金发生了局部的动态再结晶。
可用包含Arrhenius项的Zener2Hollomon参数描述2519铝合金高温塑性变形时的流变行为。
1.2.42519铝合金的均匀化热处理
采用扫描电镜(SEM)、差热扫描分析(DSC)、X射线衍射(XRD)和能谱分析(EDS)等。
研究了2519铝合金铸态及不同工艺均匀化处理后的显微组织结构和合金元素分布状况。
研究结果表明:
合金铸态组织的成分偏析比较严重,合金元素Fe、Cu多偏聚于晶界处,形成Al2Cu和Al7Cu2Fe两个共晶相;
最佳均匀化温度是530℃,时间是12.15h。
在这种情况下,共晶相Al2Cu溶解充分,溶入晶内基体中的Cu元素浓度最高;
在530℃下进行均匀化处理,合金也表现出最佳的力学性能。
图1.2均匀化动力学曲线
1.3课题研究的内容和意义
1.3.1课题研究的内容
(1)研究2519铝合金的特点分类及GMAW的焊接方法。
(2)制定2519铝合金材料的焊接工艺,选定焊接参数,按照所选定的参数得到GMAW焊焊接的接头试样。
(3)打磨抛光试样,腐蚀,用光学显微镜观察焊接接头的基体、熔合区、热影响区及其它不同部位的组织分布、晶粒大小以及组织形态,分析这些试验结果可能对材料造成的影响。
1.3.2课题研究的意义
2519高强铝合金是一种新型装甲材料,具有比较高的比强度和比刚度以及良好的加工和力学性能,其优点是其在抗弹性能明显提高,在海水及盐雾环境下的抗应力腐蚀性能明显提高,到目前为止是制造轻型装甲战车的比较理想的材料。
对国防事业支持。
第2章实验材料、设备及方法
2.1实验材料
2.1.1母材
实验材料是Al-Cu,Al-Mn,Al-Zr和Al-Ti中间合金。
工业纯Mg、Al配制合金,板厚20mm。
表2.12519铝合金化学成分(%)
元素种类
Cu
Mn
Zr
Ti
Mg
Zn
Fe
Si
Al
含量
0.058
0.0028
0.0021
0.0006
0.0022
0.0020
0.0015
余量
2.1.2焊接材料
本实验焊接材料采用直径为1.6mm的进口4047焊丝进行焊接
表2.2焊丝化学成分(%)
Ti
0.003
\
0.001
0.002
0.008
0.123
2.2实验设备
2.2.1焊接设备
此次实验用到双丝GMAW焊接方法对2519高强度铝合金进行焊接,焊接时,系统由两个相互通信协调的焊接电源,送丝机构,一只双通道焊枪组成来完成作业。
图2.1双丝GMAW高效焊接系统的焊枪
双丝GMAW焊接原理
双丝GMAW焊接原理如图2.2所示,两根焊丝通过一个特定设计的焊枪按照一定的角度送入同一个熔池当中,两根焊丝由它们各自的脉冲电压、电源供电,送丝速度、脉冲频率、脉冲时间、基值电流等参数都可独立调节,电弧控制非常灵活。
双丝GMAW焊由两根焊丝同一时刻熔化、处于同一个熔池当中,二者互相加热,最大限度的减少了热量的损耗,从而提高了生产效率和熔敷速度。
电弧在熔化的电极和工件之间燃烧,电弧和焊接熔池通过供气系统提供稳定的CO2气体保护罩来防止空气进入。
图2.2双丝GMAW焊接原理图
双丝GMAW焊接时前、后丝对焊缝成形有着非常明显并且完全不相同的影响,如图2.3所示,焊接时前丝与焊件垂直且使用较低的电压和较大的电流,形成较大的熔深(S);
后丝与前丝形成一定的夹角,保持相对较小的电流和略高一点的电弧电压,从而达到提高焊缝熔宽(C)的目的。
因此焊接时应根据两根焊丝的不同的作用从而选择合适的参数。
图2.3前后丝对双丝GMAW焊缝成形的影响
2.2.2拉伸性能检测设备
焊接接头的拉伸强度试验是检测焊接接头机械力学性能的一个重要试验。
此次试样进行力学性能测试时将使用CCS-44100的电子拉伸机进行试验,点焊接头拉伸剪切测试样。
同一焊接参数下得拉伸测试数据取三个拉伸试样测试结果得算术平均值。
CCS-44100的电子拉伸机参数:
型号:
CCS-44100力量范围500N-1000KN;
误差极限:
示值得0.002%以内;
实验速度调节范围:
5-100mm/min
图2.4CCS-44100的电子拉伸机
2.2.3维氏硬度测试设备
材料的硬度是弹性形变的一个重要指标,是机械力学性能的一个比较重要检测步骤。
根据测量时采用的不同形状的金刚石压头,硬度可以分为维氏显示硬度努普显示硬度和维氏显示硬度两种。
努普显示硬度是用对棱角130°
和170°
30′形状的金刚石四棱锥作压入头;
维氏显示硬度使用对棱角130°
形状的金刚石四棱锥作压入头。
一般采用维氏显示硬度法来进行测量。
计算公式:
HV=0.0018544(P/d²
)
公式中HV-维氏硬度,P为载荷,单位N;
d为压痕对脚线长度平均值,单位mm。
图2.5维氏硬度检测计
2.2.4光学金相显微观察设备
金相实验主要是用来研究分析金属材料的力学性能与内部组织结构成分的联系。
一般通过利用光学金相显微镜来观察焊缝组织成分的宏观与微观形象,对其焊缝进行分析,从而来判别材料焊接接头的质量。
这里我们用到的是POLYVAR-MET光学金相显微镜。
一个完整的金相试验主要包括:
取样、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀、检测等。
图2.6光学金相显微镜
2.3实验方法
采用平板对接方式,每块试板的尺寸为500mm×
120mm×
20mm,试件板边开对称双U形坡口,坡口角度为70°
,具体形状参数如图2.5所示。
在焊第一道焊缝时为防止焊穿,焊缝背面使用与坡口形状一致的紫铜垫板。
焊接时选用美国制造的ER2319铝合金焊丝,焊接前应对坡口和焊丝进行清理,除去沾附的杂质和油污。
根据焊接层数和电流的不同,共进行了三种工艺试验,分别命名为大电流两道焊(DL)、大电流四道焊(DS)和小电流四道焊(XS)。
首先介绍DL和XS工艺试验,表2.3,表2.4分别是DL、XS工艺试验的焊接工艺参数。
大电流两道焊(DL)焊接时,正反各焊一道,焊接背面焊道时先进行清除根部,并适当增加焊接电流而降低电压,这样可以进一步增大反面的熔深,减少根部可能出现的缺陷。
XS焊接顺序为先焊正面第一道,反面清根后焊第一道,再焊反面第二道,最后再焊正面第二道,这样有利于减少焊接的变形。
使用半自动的MIG焊技术,对2519高强度铝合金试样进行焊接对接,用单面焊,在试板上,沿着焊缝的横向面取样,加工成拉伸试样(扎向的),在CCS-44100的电子拉伸机上进行拉伸试验,在HVA-10A维氏硬度计上测它的维氏硬度,从焊缝中心向基材方向,开始逐点测量;
使用JSM-5600LV扫描电镜,用它来观察焊接接头的断口,用POLYVAR-MET光学金相显微镜进行观察焊后的各区显微组织。
在距离焊缝中心8mm的热影响区内取样并透射电镜样本,在透视镜上观察热影响区和基材的析出相的大小。
图2.7试板坡口形式(mm)
表2.3DL焊接工艺参数
焊接顺序
送丝速度V1(m/min)
脉冲频率f/HZ
脉冲电压U/V
脉冲时间t/ms
基值电流I/A
焊接速度
v(mm/min)
正面
10.0
7.5
230
200
25.0
26.0
2.2
2.0
100
415
反面
10.5
24.0
25.5
表2.4XS焊接工艺参数
焊接速度v/(mm/min)
正面第一道
7.8
7.0
2.1
513
反面第一道
反面第二道
7.6
25.8
26.5
正面第二道
660
第3章实验结果与分析
3.1焊接接头焊缝表面和组织分析
3.1.1DL焊缝表面分析
图3.1是DL焊缝表面成形情况,从图上可以看出工艺条件下焊缝成形非常良好,图中可以看出,母材和接头处焊缝之间的分界线比较明显,焊接接头的焊缝样貌形成美观,无未融合、气孔、塌陷等表面缺陷的存在。
焊缝为均匀重叠的鱼鳞状,焊缝无明显的缺陷。
由图3.2焊缝横截面图可知,DL焊缝表面余高很小,甚至有些地方略有凹陷,这样的接头不能够适应对焊缝强度要求较高的装甲车炮塔结构件。
图3.1DL焊缝表面成形
图3.2DL焊缝截面图
3.1.2XS焊缝表面分析
图3.3是XS焊缝表面成形情况,从图中可以看出工艺条件下焊缝成形非常良好,XS焊缝表面会比DL焊缝表面更加细腻一些。
从图3.4可以看出XS焊缝表面要比DL焊缝饱满。
这样的接头才能够适应对焊缝强度要求比较高的装甲车炮塔结构件。
图3.3XS焊缝表面成形
图3.4XS焊缝表面成形
3.1.32519铝合金焊接接头显微组织
2519铝合金焊接接头在不同区域的金相显微组织如图3.5。
通过图上可见,2519铝合金焊接接头是由以下几个区域组成,焊缝区WZ、热影响区HAZ、熔合区FZ、和基材区BM。
2519铝合金的焊接接头焊缝区为树枝状铸态组织(图3.5a)。
熔合区靠近焊缝一侧,大多都是等轴晶晶粒,但大小不一样,不是很均匀,并有少量沿别处生长的柱状晶粒(图3.5b)。
靠近基材一侧的则与熔合区相反,是热影响区的晶粒变化,其为细小的等轴晶晶粒,晶粒大小均匀,但是也有粗化,越靠近热影响区,粗化程度越大。
(图3.5c)。
2519铝合金基材组为完全再结晶组织。
(图3.5d)
图3.52519铝合金焊接接头不同区域的显微组织
a-WZ;
b-WZ+FZ;
c-HAZ+FZ;
d-BM
3.1.42519铝合金焊缝区组织
2519铝合金熔池在冷却过程中富Al的α相先从液相中结晶出来,Cu原子大多被排挤到剩余的液相当中。
当温度的降低达到共晶线附近时,剩余的液相由于Cu的含量越来越多,达到共晶成分时,开始析出共晶组织(θ相)。
图3.6为DS焊缝区组织,图中A,B两位置处经能谱分析发现,A处Cu的质量分数为24.57%,大致与共晶组织成分相当;
B处Cu的质量分数为6.68%,与α相的成分比较接近。
图3.6DS焊缝区组织
3.2
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