铝合金焊接接头的力学性能研究

铝合金焊接接头的力学性能研究

摘要：铝合金焊接接头因其特殊的焊接特点而导致其焊接接头易产生气孔及裂纹，不同的焊接方法（常见的MIG/TIG和激光焊接）和焊接工艺也会影响其焊接接头的力学性能。因此，很多学者对铝合金焊接接头的力学性能进行了大量研究，通过反复实验调控其工艺参数得到了良好的接头力学性能。

关键词：铝合金 焊接 力学性能

铝合金因其质量轻、强度高及优良的加工性能,被广泛应用于航空航天、交通运输和建筑等领域,铸造铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀和易成型等优点,普遍应用于航空、铁路、汽车等工业领域[1]。

一、铝合金焊接特点

铝合金在焊接过程中通常有以下特点[2]：

1）与氧的亲和力很强。铝在空气中极易与氧结合，并生成致密的氧化铝薄膜，但是氧化铝薄膜在焊接过程中并没有益处，反而会阻碍金属之间的良好结合，并易造成夹渣。氧化铝薄膜还会吸附水分，进而导致焊接时在焊缝中形成气孔。

2）线膨胀系数大。线膨胀系数大易产生焊接变形。铝及铝合金凝固时体积收缩率达 6.5%，因此，在焊接某些铝合金时，在焊缝金属中形成裂纹的倾向性很大，进而由于存在很大的内应力而产生裂纹。

3）导热率和比热大。在焊接过程中热源产生的大量热能会被迅速传导到金属内部。焊接铝合金的过程中必须采用能量集中、功率大的热源，才能得到高质量的焊接接头。

4）焊接时易形成气孔。氢的来源是水分，主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分，其中还包括焊丝及母材表面氧化铝薄膜所吸附的水分。在高温状态下，铝及铝合金的液体熔池极易溶入的大量气体形成气孔，而且由液态凝固时，铝及铝合金的溶解度急剧下降。因此，在焊接完成后的冷却凝固过程中，气体因来不及排出而保留在焊缝中形成气孔。

5）可能会出现焊合条纹。焊合条纹是铝合金挤压型材在腐蚀处理或阳极氧化处理后，表面出现或明或暗且平行于挤压方向的白色线纹。焊合条纹不会降低型材的力学性能，但是会产生较大色差，若是用于外观表面部分，用户难以接受太大的色差。对于如何消除铝型材表面焊合条纹，还是学者需要研究的重点问题。

二、MIG/TIG焊接

姜丕文[2]等人利用A356-T6铝合金重力铸件进行MIG对接焊接，选用ER5356铝合金焊丝做填充材料,焊丝直径为Φ1.2mm。其中，母材A356,屈服强度228MPa,抗拉强度292MPa,延伸率8.3%;填充材料ER5356焊丝,屈服强度125MPa,抗拉强度257MPa,延伸率15.6%。

焊接完成后，进行横向拉伸试验,加载速率10mm/min,每组测试2个试样,取平均值作为测试结果。进行SEM拉伸断口形貌观察和硬度测试。

试件断裂位置如图1所示,焊接接头都断裂在热影响区,试件的抗拉强度为192MPa,屈服强度为159MPa,接头系数达到0.8,分析主要因为在热影响区组织受焊接热作用,发生了过时效,导致强化相聚集,组织变大,强度降低。

图1 拉伸试样

对焊接接头进行硬度检测,结果如图2所示,接头硬度分布表现为典型的“W”型,接头硬度最高处位于焊缝区,硬度最高值116HV1,硬度最低值位于热影响区距离焊缝中心12mm,最低值为76HV1,此处位置受焊接热循环作用,硬度与力学性能最为薄弱,拉伸试验断裂位置也在此位置附近。

图2 焊接接头显微硬度分布图

向瀚林[3]等人采用金属熔化极惰性气体保护（MIG）焊制备6063-T6铝合金T型接头，之后对T型接头进行涂装，研究了焊后涂装工艺对接头组织与性能的影响。涂装前和不同涂装工步后接头的拉伸性能与断裂位置如图3所示。

焊后涂装可以显著提高接头的力学性能，抗拉强度较涂装前的提高了13%，焊接系数为76%，热影响区的显微硬度较涂装前的提高了18.8%；涂装完成前，接头最薄弱区域为热影响区，而涂装完成后，最薄弱区域为焊缝处；涂装后镁、硅原子在热影响区富集形成GP区，同时针状β″相的析出干扰位错运动，导致热影响区硬度大幅提高，使得焊缝成为接头的最薄弱区域。

图3 涂装前和不同涂装工步后接头的拉伸性能与断裂位置

陈今良[4]等人对7075铝合金采用TIG焊接，将接头在不同温度条件下进行固溶处理，并在不同时间条件下进行时效处理。通过对比接头区域的硬度，并结合拉伸性能及SEM断口形貌与XRD数据，获得了使接头具有良好综合力学性能得工艺参数。

图4 各个参数条件下的拉伸应力-应变曲线

各个参数条件下的拉伸应力-应变曲线如图4所示，可以明显看出，接头经过热处理后的抗拉强度明显提高。固溶温度间隔10℃的增加，抗拉强度呈现先增加再减少的趋势，且随着时效时间的增大抗拉强度亦先增大后减小。从曲线可看出，当固溶温度不变时，随时效时间增加，抗拉应力先增大后减小。可见，热处理后接头抗拉强度最佳热处理参数为470℃×2 h+120℃×24 h。

三、激光焊接

姜亦帅[5]通过显微硬度计、拉伸试验机、扫描电镜和X射线衍射仪等研究了激光填丝焊接6mm厚6061铝合金接头的显微组织和力学性能，试验结果表明：激光填丝焊接接头焊缝区的硬度最低, 约为73HV;母材的硬度最高, 约为110 HV;如图5所示，热影响区的硬度随着距焊缝中心距离的增大先呈波浪式增大,在距焊缝中心2.2~3.8mm处有所下降, 此处为热影响区的软化区, 在距焊缝中心3.8~4.4mm处又快速增大。

图5 在1.5m·min-1焊接速度下激光填丝焊接接头的显微硬度随距焊缝中心距离的变化曲线

激光填丝焊接接头的抗拉强度为234 MPa, 约为母材的71%, 高于MIG焊接接头的;如图6所示，焊接接头均在焊缝处断裂, 接头和母材的断裂方式均为韧性断裂。

图6 在1.5m·min-1焊接速度下母材及激光填丝焊接接头的断口形貌 杨智华[6]等人采用光纤激光器对4mm厚的7075铝合金进行激光填丝焊接,

对焊接接头的显微组织、相结构、断口形貌、力学性能进行观察和分析。

试验结果表明：如图7所示，7075铝合金焊接接头的显微硬度分布不均匀,

焊缝区硬度值为各区中最低, 焊缝边缘硬度值相对焊缝中心有所增大。热影响区的显微硬度呈阶梯式的增长, 至母材区恢复稳定值。随着焊接速度的增加, 焊缝区和热影响区的宽度减小, 硬度值增大。

如图8所示，不同的焊接速度下, 焊接接头拉伸试样均断在焊缝, 均出现了颈缩现象, 断面主要为等轴状韧窝, 为韧性断裂。母材拉伸试样无明显颈缩现象,

断面由少量细小的韧窝和大片的解理平面组成, 呈现韧-脆混合断裂。拉伸试验数据表明接头的强度、塑性均低于母材, 这主要与焊缝过低的强度有关。

图7 7075铝合金焊接接头的显微硬度分布

图8 7075铝合金母材、焊接接头试样拉伸实验结果

金阳[7]等人对新型Al-Cu-Li合金进行激光焊, 研究了不同激光焊参数对焊缝成形的影响, 并对接头的显微组织特征及力学性能进行分析测试。

图9 铝锂激光焊接接头拉伸实验结果

接头拉伸实验结果如图9所示, 在最佳激光焊工艺参数条件下, 接头的平均抗拉强度为327.1 MPa, 达到母材强度的66%。接头区域显微硬度分布显示, 与母材本身的硬度相比, 焊缝金属的硬度相对较低, 平均硬度值为HV94.5, 这是由于焊态下接头焊缝中析出的强化相数量不足所致。接头拉伸断口扫描观察显示,

断口表面为带韧窝的穿晶断裂, 接头整体上呈韧性断裂特征。 罗昆[8]等人以铝锂合金2A97 (底板) /2099 (筋板) T型接头为研究对象, 采用ER5356铝镁焊丝进行激光填丝焊接, 分析了焊接接头的显微组织和力学性能。结果显示, 接头抗拉强度在397~446 MPa之间, 平均抗拉强度为425MPa, 达到2A97-T3母材抗拉强度 (其值为456MPa) 的93%。如图10所示，焊缝区硬度值在70~90 HV之间, 比母材硬度低。

罗宇[9]等人对2.0 mm厚5052铝合金双光点激光焊接接头组织与性能进行了研究。观察了单、双光点激光焊接接头组织, 并测试了焊接接头各区域的显微硬度及室温拉伸力学性能, 观察了断口形貌。

结果表明，如图11所示，5052铝合金的单激光焊接与双光点激光焊接的焊缝及热影响区硬度均高于母材, 双光点激光焊接接头硬度低于单激光焊接接头,

图10 T形接头的显微硬度分布

有利于接头脆化的改善。双光点激光焊接接头抗拉强度高于单激光焊接接头与母材, 断后伸长率相差不大。室温拉伸断裂在母材处发生, 是比较典型的韧度断裂过程, 断口为韧窝形貌。

图11 5052焊接接头显微硬度分布及硬度测试点位置示意

王江涛[10]等人研究激光冲击处理(LSP)和固溶-时效两种焊后处理工艺对7075铝合金等离子弧焊接头微观组织和力学性能的影响规律。

结果显示，焊接头硬度分布如图12所示，在焊缝表层,激光冲击的强化效果明显优于固溶-时效工艺;但在深度方向,激光冲击的影响层深度较小,略低于固溶-时效工艺;固溶-时效处理对试样的影响层深度略大,甚至达到了试样厚度的一半,此处的硬度也被提高了17.58%。

通过拉伸试验发现,未冲击焊接头断口为脆性断裂,裂纹起源于表层;而固溶-时效处理的焊接头断口出现大量韧性断裂,但裂纹仍起源于表层;2次在提高7075

图12 7075铝合金焊接头硬度分布图

铝合金焊接头拉伸强度方面,激光冲击比固溶-时效工艺效果更佳。激光冲击的焊接头断口为韧性断裂,裂纹萌生于次表层,距工件表面约300μm。

四、结论

一般来说，铝合金的激光焊接接头力学性能要强于MIG/TIG焊接，但是其缺陷的形成机制有一定差别，通过调节工艺参数和施加各种强化方式使其得到了具有良好力学性能的接头。

参考文献

[1]姜丕文,康铭,杨振东,魏鹏尧,齐芃芃.铸造铝合金A356焊接接头组织和性能研究[J].有色金属加工,2020,49(02):20-23.

[2]肖永清.浅探铝合金的焊接特点及其施工要点[J].轻型汽车技术,2019(07):68-72

[3]向瀚林,徐从昌,林启权,李落星,林天豪,华家辉.焊后涂装工艺对6063-T6铝合金MIG焊T型接头组织和性能的影响[J].机械工程材料,2020,44(02):37-42.

[4]陈今良,杨维宏,金学元.固溶温度与时效时间对7075铝合金焊接接头力学性能影响研究[J].大型铸锻件,2020,(01):26-28.

[5]姜亦帅,杨尚磊,王妍,杨智华.6061铝合金激光填丝焊接接头的组织与力学性能[J].机械工程材料,2018,42(03):52-56.

[6]杨智华,杨尚磊,姜亦帅,王妍.7075高强铝合金激光填丝焊接组织与力学性能研究[J].材料导报,2017,31(12):60-63+72.

[7]金阳,王少刚,赵礼,黄炜,李立泽.新型铝锂合金的激光焊及其接头的微观组织与力学性能[J].焊接技术,2019,48(01):19-24+5.

[8]罗昆,常明,陈俐,何恩光.激光填丝焊接铝锂合金T型接头的组织和力学性能[J].热加工工艺,2017,46(01):77-80.DOI:10.14158/ki.1001-3814.2017.01.020

[9]李巧艳,罗宇,王亚军,陈俐.5052铝合金双光点激光焊接组织与性能[J].焊接学报,2007,(12):105-108+118.