铝合金电子束焊接工艺分析.docx
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铝合金电子束焊接工艺分析
铝合金电子束焊接工艺分析
摘要
6082-T6铝合金属于AI-Mg-Si系可热处理强化铝合金,由于具有轻质高强、良好的挤压成型性和耐腐蚀性等特点,近年米在轨道交通行业尤其是在高速列车车体上得到了广泛应用。
由于该铝合金在实际生产中大多作为焊接结构使用,采用传统的焊接方法如TIG、MIG等进行焊接时,易造成接头焊缝组织粗大、焊缝气孔率高以及产生热裂纹等缺陷,导致难以获得高质量的焊接接头,在一定程度上限制了其使用。
相比较而言,真空电子束焊(EBW)具有能量密度高、热输入小、焊接变形小等特点,用于6082-T6等铝合金的焊接具有较大优势。
基于此,本文对厚度分别为8mm和15mm的6082-T6铝合金的EBW焊接工艺及其接头的组织与性能进行研究,并与厚度为8mm的MIG焊接头的组织与性能进行对比,分析研究在不同焊接工艺条件下获得接头的微观组织、力学性能及耐蚀性能的差别及其原因。
接头显微组织观察表明,EBW接头焊缝组织为细小的等轴晶和树枝晶,具有明显的二次枝品,在晶界和枝晶界分布着大量的共晶组织,且分布均匀:
电子束焊接时采用圆形扫描方式能够明显细化晶粒,这是由于圆形扫描对熔池金属具有强烈的搅拌作用,可提高熔池金属中溶质元素的流动性,减少合金元素的偏析:
MIG焊接头焊缝组织为较粗大的等轴晶和树枝晶,二次枝晶不明显。
对接头焊缝进行XRD物相分析,所获接头焊縫金属主要为a-Al基体相,同时含有少量的β(Mg2Si强化相及单质Si,在相结构组成上EBW接头和MIG焊接头基本相同。
进一步通过TEM观察分析,证实了接头焊缝中的强化相主要为β(MgzSi)相。
接头显微硬度分布测试表明,EBW接头焊缝的硬度值低于热影响区和母材本身,热影响区的宽度较窄,其软化程度较轻,并且采用圆形扫描方式获得接头焊缝区的硬度值最高,直线扫描的次之,未添加扫描方式获得接头焊缝的硬度值最低。
而MIG焊接头的热影响区宽度相对较大,存在一个明显的软化区域,是焊接接头最薄弱的区域。
接头拉伸性能测试表明,几种接头的焊接质量均良好,可以满足实际工程结构对其强度要求。
其中EBW接头的抗拉强度最高达到母材本身强度的84.1%,而MIG焊接头的强度则相对较低,其抗拉强度只达母材本身强度的68.6%。
拉伸断口扫描观察显示,接头拉伸断口呈明显的延性断裂特征,在断口表面存在着大量的韧窝,韧窝的大小、深浅各异,并且在韧窝的底部可以清晰地观察到第二相粒子,进一步的EDS分析表明,这些第二相粒子主要为(Mg2Si)相。
采用静态失重法及电化学测试方法评价接头焊缝的耐腐蚀性能,结果表明,对于8mm厚6082-T6铝合金焊接接头来说,采用圆形扫描方式获得接头A5的耐蚀性能最好:
相比较而言,MIG焊接头焊缝的耐蚀性要差些。
综上所述,在本文中试验条件下,8mm厚6082-T6铝合金EBW接头的整体性能高于MIG焊接头,并且其最佳工艺参数为:
电子束流I=105mA,焊接电压U=50kV,焊接速度v=1500mm:
min',圆形扫描;15mm厚6082-T6铝合金的最佳I艺参数为:
电子東流I=205mA,焊接电压U=50kV,焊接速度v=1500mm-min',采用圆形扫描方式。
关键词:
6082-T6铝合金,电子束焊,MIG焊,显微组织,力学性能,耐腐蚀性
Abstract
The6082-t6aluminumalloybelongstoai-mg-siheat-treatablealuminumalloy.Duetoitslightweight,highstrength,goodextrusionmoldingandcorrosionresistance,ithasbeenwidelyusedintherailtransitindustryinrecentyears,especiallyinthebodyofhigh-speedtrains.Asthisaluminumalloyismostlyusedasaweldingstructureinpracticalproduction,theuseoftraditionalweldingmethodssuchasTIGandMIGwilleasilyleadtodefectssuchasthickweldstructure,highporosityofweldseamandthermalcrack,whichmakesitdifficulttoobtainhigh-qualityweldedjointsandlimitsitsusetoacertainextent.Incomparison,vacuumelectronbeamwelding(EBW)hasthecharacteristicsofhighenergydensity,smallheatinput,smallweldingdeformation,etc.,andhasgreatadvantagesforweldingof6082-t6aluminumalloys.Basedonthis,inthispaper,thethicknessof8mmand15mmrespectively6082-T6aluminumalloyEBWweldingprocessandthejointmicrostructureandpropertieswasstudied,andthethicknessof8mm,comparingthemicrostructureandpropertiesofMIGweldingheadanalysisundertheconditionofdifferentweldingtechnologyforjointmicrostructure,mechanicalpropertiesandcorrosionresistantpropertiesofdifferenceanditsreason.
WeldjointmicrostructureobservationshowedthattheEBWjointorganizationforsmallisometricanddendrites,hasobvioussecondarybranch,withalargenumberofgrainboundarydistributioningrainboundaryandbrancheseutecticorganization,andevenlydistributed:
usingcircularscanningofelectronbeamweldingwaycansignificantlyrefinethegrainsize,thisisduetothecircularscanninghasstrongstirringeffectofmoltenpoolofmetal,andcanimprovethemobilityofsoluteelementsinmoltenpoolofmetal,reducethesegregationofalloyingelements:
theweldmicrostructureofMIGweldingheadforabulkyisometricanddendrites,secondarydendriteisnotobvious.XRDphaseanalysisofthejointweldshowsthatthemetalofthejointweldismainlya-almatrixphase,andcontainsasmallamountof(Mg2SistrengtheningphaseandelementalSi.Intermsofphasestructure,EBWjointandMIGweldingjointarebasicallythesame.ByTEMobservationandanalysis,itisconfirmedthatthestrengtheningphaseismainly(MgzSi)phase.
JointdistributionofmicrohardnesstestsshowthattheEBWjointweldhardnessvalueislowerthantheheataffectedzoneandbaseitself,heataffectedzonewidthisnarrower,thesofteningtoalesserdegree,andadoptscircularscanningmethodtoobtainthehighesthardnessvalueofjointweldarea,linescantimes,didnotaddtoscanforjointweldhardnessvalueisthelowest.However,thewidthofheataffectedzoneofMIGweldingjointisrelativelylarge,andthereisanobvioussofteningzone,whichistheweakestareaofweldingjoint.
Thetestresultsshowthattheweldingqualityofseveraljointsisgood,whichcanmeetthestrengthrequirementofpracticalengineeringstructure.Amongthem,thetensilestrengthofEBWjointisupto84.1%ofthestrengthofthebasemetalitself,whilethestrengthofMIGweldingjointisrelativelylow,anditstensilestrengthisonly68.6%ofthestrengthofthebasemetalitself.Thescanningobservationofthetensilefractureshowedthatthetensilefractureofthejointpresentedobviousductilefracturecharacteristics,andtherewerealargenumberofdimplesonthesurfaceofthefracture,withdifferentsizesanddepths.Moreover,thesecondphaseparticlescouldbeclearlyobservedatthebottomofthedimple.FurtherEDSanalysisshowedthatthesesecondphaseparticlesweremainlyMg2Siphase.
Staticweightlessnessmethodandelectrochemicaltestmethodwereusedtoevaluatethecorrosionresistanceofjointweld.Theresultsshowedthatfortheweldedjointof8mmthick6082-t6aluminumalloy,thecorrosionresistanceofjointA5obtainedbycircularscanningmethodwasthebest:
incomparison,thecorrosionresistanceofMIGweldingjointwasworse.
Tosumup,undertheexperimentalconditionsinthispaper,theoverallperformanceof8mmthick6082-t6aluminumalloyEBWjointishigherthanthatofMIGweldedjoint,anditsoptimalprocessparametersare:
electronicbeamI=105mA,weldingvoltageU=50kV,weldingspeedv=1500mm:
min',circularscanning;ThebestIparametersofaluminumalloy15mmthick6082-t6are:
electroneastflowI=205mA,weldingvoltageU=50kV,weldingspeedv=1500mm-min',usingcircularscanningmethod.
Keywords:
6082-t6aluminumalloy,electronbeamwelding,MIGwelding,microstructure,mechanicalproperties,corrosionresistance
第一章绪论5
1.1课题研究背景及意义5
1.2Al-Mg-Si系合金的性能特点及焊接性分析5
1.3本课题的主要研究内容及具体方案7
第二章.试验材料和方法9
2.1试验材料及焊接试验9
2.2性能检测分析2.2.1接头微观组织结构分析10
2.3接头焊缝中气孔的形成及其影响因素12
第三章6082-T6铝合金焊接接头的力学性能与断口分析14
第四章6082-T6铝合金接头焊缝耐蚀性能评价16
参考文献18
致谢19
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
近年来,随着工业技术的发展和人民生活水平的不断提高,伴随着能源紧张、环境恶化等问题的日益突出,人们对交通运输行业提出了高速、节能、安全、环保、舒适等更高的要求,交通运输工具轻量化则是实现上述目标的有效途径之一”。
铝合金由于具有质轻、高比强度、无磁性、优良的挤压性能以及良好的耐蚀性等优点,被广泛地应用于航空航天、轨道交通、船舶汽车、建筑桥梁、石油化工等工业领域中。
正是由于铝合金本身所具有的性能特点,使得该类合金成为工业生产中所需要的节能、环保的绿色材料,也是代替钢材作为结构材料的理想材料。
据有关资料报道,在轨道交通行业中,将大型薄壁铝材作为车辆的主导材料,可以减轻车身自重的30%以上,因此,可节省牵引能耗和减少运营费用则。
在汽车领域中,采用铝合金材料可减轻汽车本身的重量,当汽车每减重10%时,燃油消耗便可降低6%-8%,在降低油耗的同时也可减少碳化物、氮化物等污染物的排放":
与此同时,汽车用铝合金的60%都是利用回收材料制成的,汽车上使用的铝合金90%都可以重新回收并加以再利用,这在一-定程度上大大减轻对环境造成的污染。
依据文献和相关资料查询可知,虽然目前国内外已有许多技术人员对6082铝合金的焊接I艺及焊接性进行了研究,并取得了较大进展,涉及的焊接方法主要有钨极氯弧焊(TIG)、熔化极氩弧焊(MIG)和搅拌摩擦焊(FSW)等,但有关该铝合金电子束焊接(EBW)工艺研究的文献报道还比较少见。
基于此,本课题拟采用电子束焊工艺对6082-T6铝合金进行焊接,系统分析研究该合金的电子東焊接工艺及其获得接头的组织与性能,并与采用熔化极氯弧焊获得的接头进行对比,通过优化焊接工艺,以获得高质量的焊接接头,因此,开展本课题研究具有重要的理论意义及实际应用价值。
1.2Al-Mg-Si系合金的性能特点及焊接性分析
1.2.1Al-Mg-Si系合金的特性及应用
1.AI-Mg-Si系合金的化学成分和性能特点
Al-Mg-Si系合金中的主要合金元素为镁和硅,合金中的主要强化相为Mg2Si,其三元合金富AI角相图8如图1.1所示。
从图中可以看出,该相图存在一个a-AIl+Mg2Si伪二元共晶截面,它把AI-Mg-Si系分成两个独立的三元共晶系:
a-Al+Mg2Si+Si和a-Al+MgzSi+Mg2Al3,共晶温度分别为559C和448C,成分位于a-AI+Mg2Si+Si相区内的合金具有最高的抗拉强度。
Mg2Si在基体a(A1)中的最大固溶度为1.85%,其固溶度随温度的降低而急剧下降。
一般来说,强化相MgSi中的镁、硅含量之比为1.73,即Mg/Si=1.73,强化效果最佳。
但是在实践生产中却难以严格保持此比例。
因此,该系合金中不是镁含量过剩,就是硅含量过剩。
当Mg/Si>1.73时,除了有Mg2Si相形成外,还有过剩的镁存在,此时,合金的抗蚀性好,但强度与成型性能降低,抗晶间腐蚀倾向稍好,合金中过剩的镁会显著降低Mg2Si相在固态铝中的溶解度。
此外,由于过剩镁的影响,使合金在热处理时的强化效果减弱。
当Mg/Si<1.73时,硅过剩时不会影响Mg2Si相的溶解度,在实际生产中,合金中的镁、硅之比--般小于1.73。
Mg2Si相溶解度的变化使合金在人工时效后具有强化效应,其强化相Mg2Si的沉淀析出顺序为:
a-Al过饱和固溶体→GP区-β"针→β杆β片。
2.Al-Mg-Si系合金的应用
Al-Mg-Si(6xxx)系合金因其具有优异的综合性能,使其在工业生产中获得了广泛应用,具体的应用领域主要集中在以下几个方面:
(I)轨道交通领域
近年来,随着国内外高速铁路的迅速发展,要求进-步减轻列车自重,提高运行速度,对轨道交通用材提出了越来越高的要求。
6xxX系铝合金由于具有重量轻、比强度高、成形性和耐蚀性能好、以及良好的挤压性能等特点,现已经成为轨道车辆车体部件的重要材料,广泛应用于铁道货运列车、城际交通列车、地铁和高速列车上。
在国外,如法国研制的6005A铝合金和日本研制的6N01铝合金,这两种合金具有中等强度、较好的焊接性及塑性,并且能够挤压生产出最小壁厚为2.5mm的复杂形状结构Is,使其成为铝合金车体使用最多的材料。
德国生产的ICE系列高速列车及Transrapid列车,采用6005、6061和6063铝合金作为车体材料,使得列车运行速度高达400-500km/h.意大利制造的ETR500高速动车组也采用AI-Mg-Si系铝合金作为车体结构的主要材料。
在国内,铝合金车体型材的使用日趋广泛,其制造技术也逐渐趋于稳定和成熟,并呈现出了一定的规律性,表1.1为国内制造CRH系列动车组使用的主要铝合金材料。
从表中可以看出,在CRH系列动车组上使用的铝合金主要为5xxx系、6xxX系铝合金,如6005A、5083和6082等,其中6082-T6铝合金在所使用的铝合金中占有较大比重。
(2)汽车领域
由于6xxx系铝合金较2xx系铝合金具有较好的抗腐蚀性能,比7xxx系铝合金具有较高的疲劳强度:
与5xxx系铝合金相比,又具有较好的斯德勒线及桔皮效应,因此成为汽车生产商的首选车身材料。
欧洲汽车生产商大多采用成型性能较好的6016铝合金作为车身板材,如AudiA8的车身材料即选用了本系铝合金。
而美国汽车生产商则更多选用具有足够强度的6111铝合金作为车身板材,不过最近已研发出抗蚀性更好的6022铝合金,其中6022-T4E29铝合金(为Alcoa公司内部热处理)已专利化,并投入到实际I业生产中,例如在FordCrowVictoria车型的车身上就已经获得应用16。
与钢铁材料相比,6xxx系铝合金T4态板材的屈服强度和抗拉强度相近,硬化系数n值甚至超过钢。
目前,6009、6016和6010铝合金通过T4处理,成形后经喷漆烘烤即可实现时效强化,获得了更高的强度,广泛应用于制作汽车车身内外板鬥。
日本为了研发高性能的汽车用铝材和较高缓冲性能的铝挤压型材,十分注重使用6xxx系高强度铝合金薄壁板和中空型材。
6xXX系铝合金除了广泛应用于汽车车身之外,还应用于制作汽车的蒙皮、车门、轮毂、底盘及散热器等部件。
1.3本课题的主要研究内容及具体方案
本课题以厚度分别为8mm、15mm的6082-T6铝合金作为研究对象,拟采用电子束焊工艺对其进行焊接,并与采用熔化极氨弧焊获得的接头进行分析对比。
通过观察和分析焊接接头的微观组织结构,探讨不同焊接工艺条件下接头的形成机理;通过测定接头的力学性能和腐蚀性能,并将两种焊接方法获得的接头性能进行对比,确定试验条件下的最佳工艺参数。
通过试验研究,改进和优化焊接工艺参数,使获得的6082-T6铝合金接头焊缝中不产生裂纹、气孔等焊接缺陷或缺陷程度不致影响接头的实际使用要求。
(1)将6082-T6铝合金板材加工到规定尺寸,焊前去除母材表面的氧化膜,并进行严格清洗。
采用对接接头型式,对8mm厚6082-T6铝合金板材分别进行MIG和EBW焊接,同时对15mm厚6082-T6铝合金板材进行EBW焊接,优化试验条件下的焊接工艺参數,以获得性能优良的焊接接头。
(2)对接头的微观组织结构进行观察分析,主要包括金相组织观察、拉伸断口扫描电镜(SEM)观察.X射线衍射(XRD)相结构组成分析、焊縫金属和过渡区合金元素的能谱分析(EDS)以及焊缝金属透射电镜(TEM)观察等,探讨焊接接头的形成机理。
(3)对接头进行力学性能和耐腐蚀性能测试,主要包括接头的拉伸强度和显微硬度等力学性能测定,以及采用静态失重法和电化学方法测定接头的耐蚀性能。
(4)将采用EBW和MIG两种焊接方法获得接头的组织和性能进行分析对比,分析研究两者在组织与性能上的差别及其影响接头质量的工艺因素。
第二章.试验材料和方法
2.1试验材料及焊接试验
2.1.1试验材料
试验用母材为厚度8mm和15mm的6082铝合金板材,供货状态为T6,焊接试样尺寸为200mmx100mmx8mm,200mmx100mmx15mm。
MIG焊时选用ER5356焊丝,母材及填充焊丝的化学成分如表2.1所示。
6082-T6铝合金本身的力学性能和物理性能分别见表2.2和表2.3。
2.1.3熔化极氩弧焊(MIG)试验
焊接前,先用丙酮擦洗坡口及其附近区域的污染物,用清水冲净并吹干,然后用刮刀或不锈钢丝等工具清理表面的氧化膜,直到待焊处露出金属光泽。
之后采用DIGI@WAVE500W型焊机,选用直径φ1.2mm的ER5356铝镁合金焊丝进行MIG焊接,保护气体为纯度999
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