CN108714730A - 一种含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法 - Google Patents

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    • B23K9/235—Preliminary treatment

Abstract

本发明公开了一种含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，方法如下：1)对待焊接的压铸铝合金板和变形铝合金板进行预处理，在两块铝合金板的对接面加工出45°坡口面，并在坡口面下方加工平整的对接面；2)将步骤1)预处理后的两块铝合金板的对接面对接后，用夹具固定使两块铝合金板底面夹角为170°；3)采用熔化极惰性气体保护焊对两块铝合金板进行焊接，焊接采用的填充焊丝为ER4043铝合金焊丝；4)焊接结束后，将试样进行退火，冷却，打磨，获得焊接接头。本发明的接头含有大量细晶硅组织，具有较高的抗拉强度、焊缝成型良好，材料焊接后的综合性能超过母材，非常适合汽车零部件之间的连接，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法
技术领域
本发明涉及一种含有细晶硅组织的高性能压铸铝合金和变形铝合金焊接接头，具体是指一种采用熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接技术连接的含有细晶硅组织的高性能压铸铝合金和变形铝合金焊接接头，属于材料的制备方法领域
背景技术
作为汽车工业中应用最广泛的材料，铝合金具有低密度、比强度高、耐腐蚀等优点，尤其是低能耗、可回收性好、回收率高，在航空航天、汽车制造等工业中大量应用。随着汽车工业的飞速发展以及日益严峻的环境问题，汽车轻量化已经成为提高能源利用效率的最主要和最有效的途径，因此为了避免或减轻对资源和能源的过度消耗，越来越多的汽车零部件已经采用铝合金代替了传统钢结构材料。在众多铝合金种类中，ADCXX系列压铸铝合金和6xxx系列变形铝合金是汽车制造行业当中运用最为广泛的两种铝合金。目前铸造铝合金尤其是压铸铝合金铸件已经大量应用于汽车承力的复杂结构零件，为了进一步满足汽车轻量化进程，6xxx铝合金也在逐渐应用于生产结构零部件。
这表明，工业生产尤其是汽车工业生产中需要大量铸造铝合金和变形铝合金的异质连接构件，而铝合金本身在焊接过程中，其焊接接头就存在易氧化、氧化夹杂、应力集中、组织粗大等一系列缺陷，而在异质铝合金焊接过程中还会在焊接区域内形成脆性的金属间化合物或其它杂质，这些缺陷会严重降低铝合金焊接接头的使用性能。因此工业中异质铝合金焊接一般采用搅拌摩擦焊这种固态连接技术，因为该方法不需要焊材，焊接残余应力小、焊缝组织均匀、焊接位置机械性能较好，主要在航空航天、船舶制造工业中具有一定的优势。然而对于汽车制造业而言，搅拌摩擦焊的焊接工件必须刚性固定，这对于形状较为复杂的汽车用承力结构零件而言不仅难以制备工装也难以完成复杂结构部件的焊接，难以满足制造业中大批量生产的需求。此外搅拌摩擦焊焊接结束时会在焊缝端头形成一个键孔，且难以修补，而汽车用焊接的铝合金部件在连接装配时的可加工余量已经非常有限，该键孔的存在会极大地影响各连接零部件的使用。
熔化极气体保护电弧焊(MIG)是采用外加气体作为电弧介质和熔化电极的电弧焊方法，外加气体可同时保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属。MIG焊的直流脉冲可以细化焊缝晶粒，降低孔隙率，提高焊缝裂纹抗性，从而提高铝合金接头的力学性能。更重要的是，该焊接方法不会受到连接零件形状的影响，焊接效率极高，可操作性和适应性强，是目前汽车工业生产中，同种材质铝合金焊接的主要方式。但到目前为止关于压铸铝合金和变形铝合金汽车部件焊接方式和焊接接头的研究仍然十分缺乏。本发明利用熔化极气体保护电弧焊(MIG)焊接技术，选择合适的填充焊丝和焊接工艺参数，制备了一种含有细晶硅组织的高性能压铸铝合金和变形铝合金焊接接头。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含有细晶硅组织的高性能压铸铝合金和变形铝合金焊接接头，所获得的焊接接头含有细晶硅组织，具有较高的抗拉强度和冲击韧性、焊缝成型良好，材料焊接后的综合性能超过母材，其制备方法原理可靠，操作简便，非常适合汽车零部件之间的连接，具有广阔的市场应用前景。
本发明是要解决现有汽车轻量化过程中铸造(尤其是压铸)铝合金与变形铝合金生产的汽车承力结构件之间的焊接问题，而提供的一种含有细晶硅组织的高性能焊接接头的制备方法。
本发明利用熔化极气体保护电弧焊，通过探索得到合适的填充焊丝以及最佳的焊接工艺参数，制备了具有细晶硅组织的高性能压铸铝合金和变形铝合金焊接接头。本发明所采用的具体技术方案如下：
含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，用于焊接压铸铝合金和变形铝合金，该方法通过如下步骤制备：
1)对待焊接的压铸铝合金板和变形铝合金板进行预处理，在两块铝合金板的对接面加工出45°坡口面，并在坡口面下方加工平整的对接面，再打磨两块铝合金板表面；
2)将步骤1)预处理后的两块铝合金板的对接面对接后，以坡口朝上的方式置于焊接台上，并用夹具固定使两块铝合金板底面夹角为170°；
3)采用熔化极惰性气体保护焊对压铸铝合金板和变形铝合金板进行焊接，焊接采用的填充焊丝为ER4043铝合金焊丝；
4)焊接结束后，将试样进行退火，冷却，打磨，获得含有细晶硅组织的压铸铝合金和变形铝合金焊接接头。
本发明中，
基于上述技术方案，各步骤还可以具体采用如下优选方式或参数。
作为优选，所述的压铸铝合金板为ADC12铝板，所述的变形铝合金板为6063-T6铝板。
作为优选，所述的步骤1)中，铝合金板表面用400目金刚砂纸打磨。
作为优选，所述的步骤1)中，对接面高度为1mm。
作为优选，所述的步骤2)中，两块铝合金板对接后，对接面间隙小于0.5mm。
作为优选，所述的步骤3)中，熔化极惰性气体保护焊的焊接工艺参数如下：单脉冲，脉冲频率范围为0.5～5Hz，电流范围为140～180A，焊接速度为15～20mm/min，焊接道次为6～8道次；焊接完成后在空气中冷却，之后用砂纸打磨焊接处表面，除去焊渣。
进一步的，所述的步骤3)中，焊接第一道次采用140A的焊接电流，最后三道次采用180A的焊接电流，其它中间各道次均采用160A的焊接电流。
作为优选，所述的步骤4)中，将焊接完成的试样放置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为260℃，退火时间为2.5h，然后随炉冷却。
作为优选，所述的破口面由铣削加工而成。
本发明的另一目的在在于提供一种由上述任一方案所述方法制备得到的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头。
与现有技术相比，本发明的优点在于：用该方法制备的ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头内含有大量的细晶硅组织，具有较高的抗拉强度、焊缝成型良好，材料焊接后的综合性能超过母材，其制备方法原理可靠，操作简便，非常适合汽车零部件之间的连接，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为制备含有细晶硅组织的高性能压铸铝合金和变形铝合金焊接接头的焊接坡口面结构示意图(图中除角度外的尺寸单位为mm)。
图2为压铸铝合金和变形铝合金焊接装夹位置示意图。
图3为采用ER4043填充焊丝获得的ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头的金相组织。
图4为采用ER4043填充焊丝获得的ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头的SEM组织。
图5为采用ER4043填充焊丝获得的ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头冲击断口的SEM图。
图6为采用ER4043填充焊丝对ADC12/6063-T6进行搭接熔化极惰性气体保护焊焊接的示意图。
图7为采用ER5356填充焊丝获得的ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头的SEM组织。
图8为采用ER5356填充焊丝获得的ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头冲击断口的SEM图。
图9为采用ER5356填充焊丝获得的ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头拉伸断口的SEM图。
具体实施方式
下面根据附图、实施例以及对比例进一步说明本发明。
实施例1
一、一种含有细晶硅组织的高性能压铸铝合金和变形铝合金焊接接头的制备
取两块200mm(长)×70mm(宽)×15mm(高)的ADC12和6063-T6铝板，其中ADC12铝板由压铸成型的某车型承力零件上截取，6063-T6铝板则从同款车型的结构零件上截取，焊接前对两块铝板的焊接面用车削加工出45°坡口面，并在坡口面下方加工预留平整的1mm对接面(如图1左侧垂直面)，再用400目金刚砂纸打磨铝板试样表面。将ADC12和6063-T6铝板分别置于焊接台的两侧。调整好两板之间的角度并用夹具固定(见图2)，两个铝板下方的对接面间隙小于0.5mm。采用德产Trans-Puls-Synergic 4000自动送丝MIG焊机，对ADC12和6063-T6铝板进行熔化极惰性气体保护焊。焊接工艺参数：采用直流电、单脉冲进行焊接，脉冲频率范围在2.5Hz之间，焊接速度为16mm/min，焊接道次为8道次，第1道采用140A的焊接电流，第2～6道采用160A的焊接电流，最后两道采用180A的焊接电流，保护气体采用氩气。焊接完8道次后，在空气中冷却，之后用砂纸打磨焊接处表面，除去焊渣。将焊接完成的试样放置于热处理炉中进行退火处理，消除焊接形成的应力，退火温度为260℃，退火时间为2.5h，随炉冷却，获得一种含有细晶硅组织的高性能ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头。二、ADC12压铸铝合金和6063-T6变形铝合金MIG焊接接头的微观组织观察
图3为ADC12/6063-T6铝板熔化极惰性气体保护焊焊接接头熔合区(6063-T6一侧)的金相组织照片，可以看到α-Al完全熔合且在基体周围分布着大量的细晶硅组织。图4为ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头的SEM组织，利用Quanta-200型扫描电子显微镜对焊接接头进行组织结构分析表明，熔合区共晶硅晶粒较为细小且平均尺寸小于1μm。这是因为在熔化极惰性气体保护焊的焊接过程中，焊缝区以及融合区的金属熔化并发生融合，但由于焊接过程并未采取传统的搭接结构，而是采用坡口形式进行焊接，这样使得熔合区在6063-T6铝合金一侧的部分熔融区内没有发现任何晶界液化现象，这表明以坡口形式进行的焊接形成的熔融区较窄，局部的热输入相对较小，这使得该区域局部散热较快，这在一定程度上提高了熔融区内的冷却速率和良好的温度梯度，在较大的冷却速率和相对较为合理的温度梯度下，在熔合区域到达共晶温度时，通过离异共晶方式析出的共晶硅其形核率非常大，这直接造成了共晶硅组织的细化。更重要的是，由于熔合区域的共晶生长是以离异共晶的方式进行的，采用MIG焊接获得熔合区得到的α-Al初晶组织往往比较粗大且不易控制，因此共晶硅的细化能够极大地改善焊缝的组织以及相应的力学性能。另一方面焊接过程中填充的ER4043焊丝，能够使焊缝金属的固相线温度低于6063-T6和ADC12这两种铝合金母材的固相线温度，因此在接头冷却过程中，部分熔融区将先于焊缝凝固，凝固后的部分熔融区能够抵抗焊缝金属凝固时产生的收缩应力，也能防止部分熔融区裂纹的形成。在对微观组织的观察中没有在母材中发现明显的过热区也间接的证明了上述两个现象。
三、ADC12压铸铝合金和6063-T6变形铝合金MIG焊接接头的力学性能分析
制备GB-T229-2007中所规定的梅氏冲击试验试样。为了试验的准确性，所有焊接试样先经过锯床切割、铣加工三个面，保留一侧焊缝以确定在焊道位置线切割出U形缺口(2mm)，再进行铣平。摆锤冲击试验方法同样符合GB-T229-2007中的规定。图5为ADC12/6063-T6熔化极惰性气体保护焊焊接接头冲击断口的SEM图，冲击吸收功AkU5＝2.06J/cm2；采用6063-T6铝合金作为对比试样，冲击吸收功AkU5＝1.26J/cm2。
采用Instron-5569型电子万能试验机对ADC12/6063-T6异种铝合金焊接接头进行室温拉伸试验，拉伸试验依据国家标准：GB/T 228.1-2010。三组测试试样均在母材6063-T6铝合金上发生断裂，抗拉强度为205MPa，于母材本身的抗拉强度持平，由于压铸获得的ADC12抗拉强度约为220MPa，结合之前在微观组织观察中在母材中未能见到明显的过热区，因此可以认为焊接接头的抗拉强度已经大于母材6063-T6铝合金。
因此，总体而言，本发明采用45°坡口面和ER4043铝合金焊丝，可以使两种铝合金在焊接区域充分融合，并避免脆性化合物Mg2Si的产生，采用170°装夹可提供足够的反变形，来抵消由于焊接过程中由于热应力而产生的变形。为了便于理解本发明各技术特征的作用，下面通过若干对比例进行直观展示。
对比例1
为了展示接头搭接方式对焊接效果的影响，本对比例采用传统的搭接方式对ADC12/6063-T6异种铝合金进行MIG焊接，焊丝仍使用ER4043，其他焊接工艺参数以及退火工艺参数相对于实施例1也均保持相同，不做改变。搭接MIG焊的方式如图6所示。焊接结果表明，熔合区在6063-T6铝合金一侧的部分熔融区内发现大量晶界液化现象，这表明焊接形成的熔融区很宽，局部的热输入较大，因此在熔合区内部的微观组织中未能观测到任何细化的硅晶粒，而且图6中箭头所示位置ADC12和6063-T6这两种金属的熔合度很差，未能形成良好的冶金结合。抗拉强度很低仅为82MPa，断裂位置位于箭头所示区域。
对比例2
为了展示破口角度对焊接效果的影响，改变实施例1中两块铝板的破口角度，分别采用30°的小角度坡口面和60°的大角度坡口面对ADC12/6063-T6异种铝合金进行了MIG焊接，其余做法均与实施例1相同。焊接结果表明，当角度较小时(30°)，受到MIG焊接枪头尺寸的影响，接触面附近的熔合效果非常差，出现“漏焊”，此外由于焊接道次的减少，未能形成良好的温度梯度，熔合区内部的微观组织中未能观察到细化的硅晶粒组织，更严重的是焊接结束后在熔合区表明出现了明显的宏观裂纹。而采用的大角度坡口面(60°)进行焊接时，处于焊接位置的ADC12和6063-T6合金厚度都比较小，随着焊接道次的增加，熔合区被反复加热，导致焊接区域产生熔断，无法焊接成型。
对比例3
为了展示两块铝板装夹角度对焊接的影响，依然采用45°坡口面以及ER4043焊丝对ADC12/6063-T6铝合金板进行MIG焊接，但不采用170°装夹的反变形措施，而使用180°装夹进行焊接，此时两块铝板处于同一水平面。其他焊接工艺参数以及退火工艺参数均与实施例1相同，不做改变。焊接结果表明，虽然同样得到了成型良好的ADC12/6063-T6异种铝合金焊接接头，但在焊接结束后熔合区位置发生了较大的变形，ADC12和6063-T6两板之间出现夹角，且经过退回处理之后未能恢复。这是由于焊接板状试样在焊接过程中上下两板受热不均匀，上表面受热较严重而产生了较大的压应力，下表面则受到相应的拉应力，不仅产生变形，而且工艺选择不当还容易在下表面位置产生裂纹。
对比例4
为了展示焊丝种类对焊接的影响，调整焊接填充焊丝，采用ER5356焊丝对接焊接对相同的ADC12/6063-T6铝合金板进行焊接，焊接工艺参数以及退火工艺参数均与实施例1相同，不做改变。焊接结果表明，虽然同样得到了成型良好的ADC12/6063-T6异种铝合金焊接接头，但在图7所示的ADC12一侧熔合区内的微观组织中未能发现细化的硅晶粒，反而由于镁元素在焊接过程中的烧损产生了大量的微观孔洞。该焊接接头的冲击吸收功AkU5＝1.01J/cm2；抗拉强度也仅为102MPa，图8和图9给出的采用ER5356填充焊丝获得的ADC12/6063-T6铝合金MIG焊焊接接头的冲击和拉伸断口的SEM图像也表明，焊接接头中含有大量的气孔，极大地降低了焊接接头的力学性能。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，用于焊接压铸铝合金和变形铝合金，其特征在于，通过如下步骤制备：
1)对待焊接的压铸铝合金板和变形铝合金板进行预处理，在两块铝合金板的对接面加工出45°坡口面，并在坡口面下方加工平整的对接面，再打磨两块铝合金板表面；
2)将步骤1)预处理后的两块铝合金板的对接面对接后，以坡口朝上的方式置于焊接台上，并用夹具固定使两块铝合金板底面夹角为170°；
3)采用熔化极惰性气体保护焊对压铸铝合金板和变形铝合金板进行焊接，焊接采用的填充焊丝为ER4043铝合金焊丝；
4)焊接结束后，将试样进行退火，冷却，打磨，获得含有细晶硅组织的压铸铝合金和变形铝合金焊接接头。
2.如权利要求1所述的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，其特征在于，所述的压铸铝合金板为ADC12铝板，所述的变形铝合金板为6063-T6铝板。
3.如权利要求1所述的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，铝合金板表面用400目金刚砂纸打磨。
4.如权利要求1所述的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，对接面高度为1mm。
5.如权利要求1所述的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中，两块铝合金板对接后，对接面间隙小于0.5mm。
6.如权利要求1所述的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中，熔化极惰性气体保护焊的焊接工艺参数如下：单脉冲，脉冲频率范围为0.5～5Hz，电流范围为140～180A，焊接速度为15～20mm/min，焊接道次为6～8道次；焊接完成后在空气中冷却，之后用砂纸打磨焊接处表面，除去焊渣。
7.如权利要求6所述的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中，焊接第一道次采用140A的焊接电流，最后三道次采用180A的焊接电流，其它中间各道次均采用160A的焊接电流。
8.如权利要求1所述的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，其特征在于，所述的步骤4)中，将焊接完成的试样放置于热处理炉中进行退火处理，退火温度为260℃，退火时间为2.5h，然后随炉冷却。
9.如权利要求1所述的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头制备方法，其特征在于，所述的破口面由铣削加工而成。
10.一种如权利要求1所述方法制备得到的含有细晶硅组织的异质铝合金焊接接头。
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