铝合金电子束焊接工艺分析.docx

1、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

2、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-

3、Al基体相,同时含有少量的(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(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

4、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

5、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AbstractThe 6082-t6 aluminum alloy belongs to ai-mg-si heat-treatable aluminum alloy. Due to its light weight, high stre

6、ngth, good extrusion molding and corrosion resistance, it has been widely used in the rail transit industry in recent years, especially in the body of high-speed trains. As this aluminum alloy is mostly used as a welding structure in practical production, the use of traditional welding methods such

7、as TIG and MIG will easily lead to defects such as thick weld structure, high porosity of weld seam and thermal crack, which makes it difficult to obtain high-quality welded joints and limits its use to a certain extent. In comparison, vacuum electron beam welding (EBW) has the characteristics of hi

8、gh energy density, small heat input, small welding deformation, etc., and has great advantages for welding of 6082-t6 aluminum alloys. Based on this, in this paper, the thickness of 8 mm and 15 mm respectively 6082 - T6 aluminum alloy EBW welding process and the joint microstructure and properties w

9、as studied, and the thickness of 8 mm, comparing the microstructure and properties of MIG welding head analysis under the condition of different welding technology for joint microstructure, mechanical properties and corrosion resistant properties of difference and its reason.Weld joint microstructur

10、e observation showed that the EBW joint organization for small isometric and dendrites, has obvious secondary branch, with a large number of grain boundary distribution in grain boundary and branches eutectic organization, and evenly distributed: using circular scanning of electron beam welding way

11、can significantly refine the grain size, this is due to the circular scanning has strong stirring effect of molten pool of metal, and can improve the mobility of solute elements in molten pool of metal, reduce the segregation of alloying elements: the weld microstructure of MIG welding head for a bu

12、lky isometric and dendrites, secondary dendrite is not obvious. XRD phase analysis of the joint weld shows that the metal of the joint weld is mainly a-al matrix phase, and contains a small amount of (Mg2Si strengthening phase and elemental Si. In terms of phase structure, EBW joint and MIG welding

13、joint are basically the same. By TEM observation and analysis, it is confirmed that the strengthening phase is mainly (MgzSi) phase.Joint distribution of microhardness tests show that the EBW joint weld hardness value is lower than the heat affected zone and base itself, heat affected zone width is

14、narrower, the softening to a lesser degree, and adopts circular scanning method to obtain the highest hardness value of joint weld area, line scan times, did not add to scan for joint weld hardness value is the lowest. However, the width of heat affected zone of MIG welding joint is relatively large

15、, and there is an obvious softening zone, which is the weakest area of welding joint.The test results show that the welding quality of several joints is good, which can meet the strength requirement of practical engineering structure. Among them, the tensile strength of EBW joint is up to 84.1% of t

16、he strength of the base metal itself, while the strength of MIG welding joint is relatively low, and its tensile strength is only 68.6% of the strength of the base metal itself. The scanning observation of the tensile fracture showed that the tensile fracture of the joint presented obvious ductile f

17、racture characteristics, and there were a large number of dimples on the surface of the fracture, with different sizes and depths. Moreover, the second phase particles could be clearly observed at the bottom of the dimple. Further EDS analysis showed that these second phase particles were mainly Mg2

18、Si phase.Static weightlessness method and electrochemical test method were used to evaluate the corrosion resistance of joint weld. The results showed that for the welded joint of 8mm thick 6082-t6 aluminum alloy, the corrosion resistance of joint A5 obtained by circular scanning method was the best

19、: in comparison, the corrosion resistance of MIG welding joint was worse.To sum up, under the experimental conditions in this paper, the overall performance of 8mm thick 6082-t6 aluminum alloy EBW joint is higher than that of MIG welded joint, and its optimal process parameters are: electronic beam

20、I=105mA, welding voltage U=50kV, welding speed v=1500mm: min, circular scanning; The best I parameters of aluminum alloy 15mm thick 6082-t6 are: electron eastflow I=205mA, welding voltage U=50kV, welding speed v=1500mm-min, using circular scanning method.Keywords: 6082-t6 aluminum alloy, electron be

21、am welding, MIG welding, microstructure, mechanical properties, corrosion resistance第一章绪论 51.1课题研究背景及意义 51.2 Al-Mg-Si系合金的性能特点及焊接性分析 51.3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 92.1试验材料及焊接试验 92.2性能检测分析 2.2.1接头微观组织结构分析 102.3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

22、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

23、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

24、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。1.2 Al-Mg-Si系合金的性能特点及焊接性分析 1.2.1 Al-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

25、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

26、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/Si1.73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-针杆片。 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: (

27、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Trans rapid列车，采用6005、6061 和6

28、063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

29、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Ford Crow Victoria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、 601

30、6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

31、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(S

32、EM)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200mmx 100mmx8mm, 200mmx 100mmx15mm。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DIGIWAVE 500W型焊机，选用直径1.2mm的ER5356铝镁合金焊丝进行MIG焊接，保护气体为纯度999