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