5356铝合金焊丝组织与性能的试验对比研究
2020-12-05
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第30卷第5期 2016年9月 湖南工业大学学报 V0l-30 NO.5 Journal of Hunan University of Technology Sep.2016 doi:10.39690.issn.1673—9833.2016.05.018 5356铝合金焊丝组织与性能的试验对比研究 罗 健 ,蹇海根 ,丁智辉 ,唐娴敏 (1.湖南工业大学冶金与材料工程学院,湖南株洲412007;2.湖南德润有色焊材科技有限公司,湖南株洲412000) 摘要:通过金相、扫描、硬度及拉伸试验等测试分析手段,对自制焊丝(1#)、国产焊丝(2#)和进口焊 丝(3样13种5356铝合金焊丝的表面质量、显微组织以及力学性能进行了对比分析研究。试验结果表明:由于 成分配比、杂质含量、加工方法等原因,3群焊丝表面均匀光滑,无裂纹、划痕等显著缺陷,表面质量和力 学性能最优;1#焊丝表面存在细微裂纹,晶粒细小均匀分布,表面质量和力学性能次之;2#焊丝表面粗糙, 有凹坑及麻点等缺陷,表面质量和力学性能最差。 关键词:5356铝合金焊丝;连续挤压;微观组织;力争}生能 中图分类号:TG422.3 文献标志码:A 文章编号:1673—9833(2016)05—0092—05 An Experimental Comparative Study on the Microstructure and Properties of 5356 Aluminum Alloy Welding Wires LUO Jian。,JIAN Haigen ,DING Zhihui 一,TANG Xianmin (1.School ofMetallurgical and Materials Engineering,Hunan University ofTechnology,Zhuzhou Hunan 412007,China; 2.Hunan Derun Nonferrous Welding Technology Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan 412000,China) Abstract:An experimental comparative investigation has been made of the surface quality,microstructure and me— chanicalpropertiesofthreediferenttypesofaluminumalloyweldingwires,namely,self-madewires(1#),domesitcwires(2#) and imported wires(3 by using such testing methods as microscopy,scanning,hardness test and tensile test,etc.The experimental results show hat,due tto their iferentd component ratios,impurity contents,and processing methods,3#welding wires exhibit such excellent properties as optimum surface quality and mechanical properties,lacking of such obvious defects ascracks and scratches.Finecracks Canbefoundonthe surfaceof1释wirewithfinegrainsuniformlydistributed.thusmaking its surface qua】jty and mechanical properties slighfly inferior;2样wire is characterized with such defects as pits and pittings on a rough surface,thus making it the most inferior as regard to its surface quality and mechanical properties. Keywords:5356 aluminum alloy welding wires;continuous extrusion;micro—structure;mechanical properties 0 引言 铝镁合金为非热处理强化铝合金,具有质轻、强 应用¨ 。在铝合金焊接基材一定的情况下,焊接_丁 艺和焊丝质量对结构材料的焊接性能起着决定性作 用【 。焊丝是影响焊缝金属成分、组织、缝区母材 裂纹倾向性、焊缝耐蚀性及力学性能的关键因素H , 且需与基材进行合理匹配。 度高、抗腐蚀及易加工等优点,由其形成的焊接结构 在轨道交通、船舶、航空及化工等行业得到了广泛的 收稿日期:2016-08-21 作者简介:罗健(1991-),男,湖南湘西人,湖南工业大学硕士生,主要研究方向为新型铝合金焊丝的研发, E-mail:2209737785@qq.tom 通信作者:蹇海根(1980-),男,湖南衡阳人,湖南工业大学副教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为铝合金焊丝研发 及其微合金化,E—mail:jianhaigen2001@163.coin 第5期 罗健,等 5356铝合金焊丝组织I.j性能的试验对比研究 所生产 93 日前,I玉I『大J外发展快速的地铁列车、高速列车和 轻轨列车车厢多以铝合金 材作为焊接 目’架,通过 1.3试验方法 焊接可减少40%车辆制造。】 作量.焊丝一R-能的好坏 将直接影响车辆的运行性能、速度、运载能 和效 率 5356铝合金焊丝作为一种在铝合金焊接结构运 用非常广泛的通用型焊材,需求最也逐年增加,在 国内外的市场潜乃巨大。I 内轨道交通用5356铝合 金焊丝90%以L依靠进n,主要以美围Alcoa、法 SAF等公司生产为主,而同产焊丝在焊丝表而外观 和内在冶金质 等均仔在一定的差距,导致旧内车 辆用大型铝合金型材配用焊丝始终无法实现批量生 产和供应 : 外企业对高端铝合金焊丝实行技术封 锁和市场垄断,为打破这种尴尬局而,开发和生产我 在不同品牌的焊丝盘上截取一定长度焊丝试样, 使用酒精擦拭除去表面油迹及其它杂质,然后采用 扫描l乜镜进行表面形貌观察;经机械预磨、抛光腐 蚀后,在金相显微镜上对每种焊丝的横截面、纵面 进行金相显微组织观察,腐蚀液为自配混合酸.其 配方为:2 mL HF,3 mL HCl,5 mL HNO ,190 mL H,o。 采用HVA-1 0A型维氏显微硬度计进行显微硬度测 定,在试样上等间距0.2 mm打5个点测量,然后计算 硬度的平均值;在室温下使用万能测量试验机进行拉 伸力学性能试验,每种焊丝抟伸结果测量3次取均值? 闰高质量、高性能的5356铝合金焊丝刻不容缓 … 课题组采用连续挤压1:艺生产n{一种新型5356 2 试验结果及分析 2.1金相显微分析 铝合金焊丝¨”,文中分别从表而质蛀、显微组织及 力学性能等厅而将该焊丝与另一旧产焊丝和进口焊 丝进行对比性试验研究.通过焊丝冶金质醚及性能 3种焊丝的金相显微组织形貌如 l所示。由图 可知,各种焊丝的金相显微组织基本相同,卜h于挤 压拉拔加T纵向呈明显被拉长状态,横截面则表现 为典型的密集形貌。 的综合评估,课题组对导致差异的原因进行系统分 析,旨在为 产焊丝生产一r艺的改进和焊 质量的 改善提供技术支撑 1 试验材料、仪器与方法 1.1试验材料 本试验的3种5356钒合金焊丝规格均为 1.2 mm, 分别标记为1}}、2#、3#其中,l#焊丝属于自制产 品,使用l 0 mm坯杆料通过连续挤压法一次挤压成 型,然后再进行表面处理;2#焊丝为旧内企业采用 传统方法生产的一种同类型产品;3#焊丝为从国外 进口产品,其通过挤压后多道次托拔退火r 艺生产 3种焊丝化学成分如表1所示 其中,Al和Mg 为主要合金元素,Mn、Cr等微量兀素以适当的比例 添加~ 表1焊丝成分列表 Table 1 Wires composition list % 盟 1#2}}E 0.076 0.1 21 g ! ! 0.074 0.062 0.112 4.970 0.082 0.098 0.I 79 0.02 l 0.07 1 4.874 0.075 3#0.047 0.077 0.0l 7 0 _J56 . !Q: 8 :Q 1 e)3#纵向 f)3#横截面 图1焊丝金相组织 Fig.1 Micro—structure of welding wires 1.2试验仪器 扫描电镜.JSM-5600LV,L1本JEOL公 生产; 在I挈I中,白色部分主要为不显相界的a(A1)基体, 大部分的Mg元素同溶flJa(A1)基体中,挤压拉拔冷却 过程中析出fl(A1 Mg,)强化相。即I割中纵向fltt,'J',灰黑 色颗粒相 1#焊丝生产采用连续挤压T艺,相比2}}、 金相显微镜,POLYVER-MET,德 司生产; 尔蔡司公 维氏显微硬度计.HVA-1 0A,济南恒 盛大仪 器公司生产; 万能测量试验机,CSS-44100,长春试验机研究 3#焊丝采用多道次拉拔T艺,灰色颗粒 (Al Mg )相 显现程度较低,这主要是 于第二相在连续挤压过 94 湖南 I 业大学学报 2016年 程中发生较大变形、破碎所致 观察分析可知,自 焊丝的表而质量与化学成分、冶炼质量、AnT.方 法等有很大的关系I 。1≠}焊丝出现微裂纹,可能 与其加T生产方法有关。由于连续挤压一次成形法 制1#焊丝的纵向品粒更为 ̄lild',均匀分布,这主要 跟加T 方法有关.连续挤压法变形率大,晶粒破碎 程度更大,晶粒被拉长以至断裂成微小颗粒,品粒 之间的相互摩擦加速了破碎过程,同时弥散分布的 不需要加热保温坯杆料,主要通过摩擦热和变形热 使杆坯软化从而发生塑性变形。由于加]二变形率很 大,如果速率和温度控制不适当,就会产生微裂纹 第二相质点阻碍品粒的长大,从而获得细小的再结 晶颗粒1 l~2#和3群焊丝经历多道次拉拔,在拉拔力 及拉拔模具摩擦/fJ的作用下,品粒 等轴品逐渐演 变为沿拉拔方向的细长纤维状组织,如 lC、 1e 等加T缺陷。当挤压温度较低时,合金塑性流动性 较差,在模具型口不光滑处受较大摩擦;其次,挤 压润滑剂加入量少,坯料与模具润滑不够,增大了 合金表面与模具接触面积,导致焊丝表面出现裂纹。 2样焊丝表面粗糙,存在不同程度的凹坑和麻点等,这 所示.拉拔道次逐渐增加,品粒沿拉拔方向越发明 显。而由图观察可知二者纵向晶粒尺寸较大,因为 多道次拉拔过程中经过中间以及后期退火处理,会 出现品粒长大现象j Ti是很好的品粒细化剂,自制 1#焊 适当添加微量元素Ti对细化品粒起到影响作 用,同时也能细化铸态焊缝品粒组织 引。 2.2表面形貌观察 可能与前期熔炼有关,如果熔体洁净度不够,存在 不同程度的气体和各种夹杂物,就会导致杆料在后 续挤压变形过程中}iJ现毛刺、prl坑等缺陷。同时,2# 焊丝多道次拉拔之后,拉拔模具磨损或者碎屑粘入 也有可能会导致毛刺等缺陷。焊丝缺陷焊接后就会 成为焊接气孔等缺陷的重要原因,对焊接生产非常 不利。进口3样焊丝采用多道次拉拔退火T艺.加 焊丝表面缺陷将会导致焊接过程送丝不连续、 甚至断丝等问题,影响焊接的稳定性和焊接结构质 量。提高焊丝表面质量,可有效减少送丝时焊丝表 面与导丝管的摩擦阻力,提高自动送丝的稳定性和 电弧稳定性。 2为试样的扫描电镜下的表而形貌, 如图所示,国产自制1#焊丝表面横向有微裂纹,沿 着挤压方向有明显的划痕;围产2#焊丝表面粗糙, 杂质、『u1坑及麻点较多;进口3#焊丝表面质量最好, 变形率小,表面质量控制较好,但这种方法耗时耗 能,加T效率受到一定程度的限制。 Fe、si冗素属于焊丝中的有害杂质.其含量的高 低对5356铝合金焊丝表面质量起着重要的影响作用。 Fe的质馈分数一般应限制在0.4%以下.si的质量分 数一般心控制在0.25%以下” 。}}I焊丝成分表1可知, 3#焊丝Fe的质量分数为0.077%,较1#焊丝少0.044%, 2#焊丝少0.102%;Si的质憾分数仅为O.047% 较1# 焊丝少0.029%,2}≠焊丝少0.051%,3#焊丝有害杂质 均匀光滑,无裂纹、凹坑、划痕等显著缺陷 £素含量控制得更好?由 2分析可知3样焊丝表面 质量更好,而其余2种焊丝可能由于杂质元素含量较 高都呈现出划痕、微裂纹等缺陷。 2.3显微硬度分析 表2为3种焊丝显微维氏硬度测试结果 由表中 数据可知,罔产2#焊丝硬度最高,自制1#焊丝次之, 进口焊丝硬度相比较低。 表2焊丝显微硬度 Table 2 Micro—hardness of welding wires 由于2#焊丝采用传统方法所制,熔炼过程中难 免残留较多的Fe,si等杂质元素,导致后续加一r过程 中焊丝过多的存在黑色相卢(A1 Mg,)以及硬的杂质相 (Fe,Mn)AI 和FeA1 ,维氏硬度测量过程中压痕打 f)3#局部放大历 图2焊丝表面形貌 Fig.2 Surface topography of welding wires 到硬的第二相的几率要大,因此焊丝的硬度大。自 制1#焊丝连续挤压,品粒拉长破碎变为加丁织构, 焊丝内部组织紧密,品粒间格 隙逐渐变小,品粒 第5期 罗健,等 5356铝合金焊丝组织号胜能的试验对比研究 95 间的结合力增强,没有发生明显的动态再结晶,动 态回复不足以软化循环水冷却之后焊丝产生的加工 硬化,导致焊丝硬度较大¨鲫。进口焊丝挤压产生加 工硬化之后,由于多道次拉拔经历中间退火以及拉 学性能等均为最优,自制1#焊丝次之,2#焊丝最差。 这跟焊丝的成分配比、杂质含量、冶金质量以及焊 丝制备工艺方法等均有很大的关系。 2)课题组采用连续挤压法制备出的5356铝合金 焊丝在焊接试验过程中表现良好,强硬度、塑性及 送丝稳定和连续性均符合实际焊接要求,焊接效果 拔后期退火,消除了加工硬化,其硬度变低。试验 证明,焊丝的硬度要适中,焊丝硬度值过大或过小 都会导致焊丝自动送丝的稳定性变差。 2.4拉伸力学性能分析 接近进口3拌焊丝。但由于连续挤压加工一次成型, 焊丝的表面质量还存在一定缺陷,后续需在挤压温 3种不同5356焊丝的力学性能如表3所示。由表 度、挤压速度、模具以及后续表面微处理方面加以 可知,自制l}}焊丝与进口3拌焊丝屈服强度相差不大, 国产2#焊丝屈服强度略低。进口3样焊丝抗拉强度最 大,自制1#焊丝次之,国产2#焊丝最小。延伸率三 者相差不大。 表3焊丝拉伸力学性能 Table 3 Tensile mechanical properties of welding wires 焊丝力学性能与加工方法以及原材料成分密切 相关。1#焊丝连续挤压使得晶粒破碎细化程度较深, 细化晶粒能提高强度。同时,挤压变形程度大,近 乎球形的晶粒由于变形而被拉长,导致晶粒表面积 增大,相对地增加了难变形区面积,变形抗力随之 提高,使得力学性能提高。由于5356铝合金属于不 可热处理强化铝合金,当挤压温度过高时,其强度 下降,塑形增加,因此要合理控制挤压温度上限。进 口焊丝除采用挤压法细化晶粒提高强度的同时,多 道次拉拔过程中退火处理会消除加工硬化以增加强 度,提高塑性。国产焊丝2撑强度、塑形都较低可能 是由于熔炼过程易于吸气和氧化,因此在熔体中不 同程度地存在气体和各种非金属夹杂物,使铸锭产 生疏松、气孑L、夹杂等缺陷,显著降低后续加_[焊 丝的力学性能。 同时,合金中适当比例的元素Mg在A1中形成 3(A1 Mg:)强化相,起到弥散强化作用,Mg的添加既 能提高合金的强度又不会使塑形过于降低 们。由焊 丝成分表可知,进口焊丝Mg含量最高,强化效果显 著。而Fe和Si有害杂质元素,与合金中的Mn和Cr 形成难溶解的金属问化合物,与Mg形成Mg,Si可溶 相,这不仅会使Mg的强化效果降低,也将降低材料 的塑形。 3 结论 1)对比试验分析表明,3撑焊丝的表面质量与力 改进优化,以期生产出更高质量的铝合金焊丝。 参考文献: [1】肖亚庆,谢水生,刘静安,等.铝加工技术实用手册[MJ. 北京:冶金工业出版社,2005:639-642. 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