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6系铝合金角焊根部裂纹外部影响因素探讨

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-10-18   来源:青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司   作者:曾庆略 程石来 张永杰 张健
本文通过对6005A铝合金角焊缝焊接过程进行不同操作方式的焊接,并对焊接后的试样进行金相分析,探讨了6系铝合金角焊时,焊缝根部裂纹的外部影响因素。

随着我国高速铁路的高速发展及铝合金焊接工艺的不断完善,铝合金车体在高铁项目中也得到了广泛的应用。作为焊接质量控制项点之一的铝合金角焊缝质量,也是高铁项目中重点控制的内容之一。

       相对便于进行RT、UT等体积类无损检测的对接焊缝而言,对接焊缝质量的好坏易于判断和掌控。而角焊缝,因其结构因素的限制,在无损的情况下,无法进行内部的体积类检测,如RT等。为更好地了解角焊的焊后质量,只能通过宏观断面或断裂试验来验证。而实际焊接宏观试样显示,铝合金角焊根部裂纹作为一项关键质量问题,常常困扰着铝合金生产商。

1试验过程
为了研究各外部因素对于6系铝合金角焊缝质量的影响,分别采用产品中最常见的两种厚度4mm、10mm的6005A型材进行不同试验。母材的化学成份如表1,焊接保护气体为99.999%的高纯氩气。试验采用熔化极氩弧焊工艺,焊接采用进口奥林康品牌ER5087焊丝,其直径为1.2mm,详细的化学成份如表2。

表1  6005A铝合金化学成份(%)

表2  ER5087焊丝化学成份(%)

 
       试验从焊接时焊枪角度变化、板厚组合变化等方面入手,在各种条件相同的情况下,每次只改变一种影响因素,以验证其对角焊缝根部裂纹的影响效果。具体的焊接参数见表3。

表3  6005A铝合金角焊参数

 
2焊接时焊枪角度影响
       如图1所示,采用不同焊枪角度焊接,同时焊丝指向焊缝中心处。通过宏观金相可以看出:焊枪角度为40º~45º,焊缝成形要比其它焊枪角度时美观,且立板和底板两侧熔合良好,如图2b;而焊枪角度为45º~50º区间内时,焊缝底板熔合偏少。通过微观金相分析,还可以发现:焊枪角度大于50º的情况下,焊缝的根部会出现一条透过熔合线,向焊缝内延伸的收缩沟槽;收缩沟槽的前端,存在细小的微细裂纹,向焊缝中心延伸,如图3。
              

      
图1  焊枪角度试验示意图

              

             图2  各种焊枪角度下宏观金相图

 

图3  焊枪角度大于50º时焊缝微观金相


3电弧指向的影响
焊接时,电弧的指向通常可以采用偏向立板1~1.5 mm、指向中心、偏向底板1~1.5 mm三种方式中的其中之一,如图4。在验证电弧指向的影响时,采用上述验证焊接操作角度较好的35º~45º位置。
 


图4  焊接时电弧指向示意图
            

          



  
图5  各种电弧指向下焊缝宏观、微观金相
 

图5是三种不同电弧指向下,焊缝的宏观及焊趾根部的微观金相。通过金相观察可以发现:当电弧指向略偏向立板或指向焊趾中心时,焊缝的根部会出现微观裂纹;而当电弧指向略偏向底板时,焊缝根部的微观缺陷会消失。分析其原因,主要是因为角焊缝是三维散热模式,底板上有两个方向的热传导,立板上只有一个方向的热传导。当电弧指向偏向于立板或指向于焊趾中心时,底板因两个方向的热传导所致热散发得较立板快,所以焊趾根部区域底板上熔池会最先冷凝,而立板方向上的熔池会稍后冷凝,在收缩拉应力的作用下,焊趾根部会发现如图5a、b所示的微观裂纹;而当电弧指向略偏向底板时,焊趾根部的熔池在三维方向上的冷凝速率相当,熔池三维方向上的受力均衡,所以焊趾根部不易出现微观裂纹。

另外,在焊接过程中电弧观察:当电弧指向略偏向于立板时,电弧会主动向下方底板方向扩展拉伸,并且在电弧向底板扩展拉伸过程中,电弧会时常有跳动现象发生,焊接过程不稳定的倾向性较另外两种焊接方式相对增大。焊接过程中电弧的跳动,也增大了焊接缺陷产生的几率。

4立板与底板厚度影响
       在铝合金高速列车实际产品生产中,经常会遇到立板与底板厚度不等厚的角焊情况。为了探究立板、底板厚度不等厚时角焊缝质量异同,并结合铝合金高速列车产品结构的实际特点,选择了4mm、10mm两种常见厚度的型材分别为底板和立板,进行焊接试验。试焊时采用的焊枪角度及电弧指向均为基于上述相关试验结果中最好的参数,详细请参图6。

 


图6  不同厚度的立板与底板组合示意图
 

图7 角焊根部微观金相

图7为底板为4mm,而立板为10mm焊缝的微观金相。在其根部存有细小的微裂纹,并从根部向焊缝中心延伸扩展。角焊缝焊接时,熔池为三个方向散热,底板因其厚度偏薄,且为两个方向上散热,其热传导速度较偏厚的立板快,所以偏向于底板的熔池侧冷却速度快于偏向立板的熔池侧。由于焊接过程中,熔池两侧的冷却速度差异,导致刚形成的固态焊缝受拉应力作用,进而产生微裂纹。

5结论
通过6005A铝合金角焊缝的焊接试验,可以得出以下结论:
5.1  6系铝合金角焊时,最有利于保证焊缝内部质量的焊枪操作角度为35º~45º;
5.2  为了减少6系铝合金角焊缝根部产生微观裂纹的倾向性,焊接时应将焊丝指向略偏向底板,约一个焊丝直径距离;
5.3  焊接6系铝合金角焊缝时,底板的厚度应尽可能不薄于立板,这样可以避免焊缝根部产生微裂纹。
 

 
 
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