焊接材料对喷射成形7475铝合金TIG焊接头热裂纹的影响

第 3 3 卷 第 1 期 2 0 1 2 年 1 月 焊 接 学 报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vol． 33 No． 1 January 2 0 1 2 收稿日期:2010 － 11 － 04 基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2010342) ;江苏省科技 支撑计划基金资助项目(BE2009126) ;江苏高校优势学科 建设工程基金资助项目 PAPD 焊接材料对喷射成形 7475 铝合金 TIG 焊接头热裂纹的影响 严 铿， 叶友利， 王锡岭 (江苏科技大学 先进焊接技术省级重点实验室，镇江 212003) 摘 要:采用 4043，5356，7055 三种焊接材料对喷射成形 7475 铝合金 TIG 焊接头的热 裂纹敏感性进行了研究，对接头的力学性能进行了测试， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了接头的微观组织及裂纹 的形貌、相组成． 结果表明，采用 5356 焊丝时热输入对焊接热裂纹敏感性影响较大，高 热输入时母材中的铜和锌向焊缝进行扩散和焊缝中的镁在熔合区形成 α-Al，Al0． 403 Zn0． 597和 Al7Cu3Mg6 相的低熔共晶组织，并在晶界和枝晶间形成偏析，在焊接应力的作 用下在熔合区内产生了贯穿性热裂纹;低热输入时接头没有出现热裂纹，但强度只有 184 MPa;而 4043 和 7055 两种焊丝的热裂纹敏感性较小． 关键词:喷射成型铝合金 7475;钨极氩弧焊;热裂纹 中图分类号:TG456． 9 文献标识码:A 文章编号:0253 －360X(2012)01 －0009 －04 严 铿 0 序 言 7475 铝合金属于 Al-Zn-Mg-Cu系可时效强化合 金，经喷射成形技术制备的 7475 铝合金具有超高强 度、高韧性、抗疲劳、耐腐蚀、可超塑性成形等性能， 被广泛用于飞机机身、机翼梁、机舱壁板、核工业和 火箭高强度结构件的制造［1］． 焊接技术是喷射成形 7475 铝合金应用中的一个关键技术，由于 TIG 焊焊 缝具有质量高，金属元素烧损少;电弧热量集中、焊 速快，相应的母材受热程度低，热影响区窄，熔池和 电弧的可见性好，操作方便等优点［2］，所以被广泛 应用于铝合金焊接． 焊接材料是 TIG焊工艺中首先 要考虑的问题，焊接材料选配的原则，首先要考虑的 是焊接性，然后是强度等性能的匹配． 4043 焊丝中 的硅可以在焊接时产生足够数量的低熔点共晶，利 用铝合金的“自愈合”效应，可填充液态金属收缩时 引起的空隙，故焊接热裂纹倾向性较小． 而 5356 焊 丝通常作为传统 7xxx 系铝合金的焊接材料，能够在 满足焊接性的要求下，达到强度和塑性的最佳匹配， 但喷射成形 7475 铝合金是否遵循这个规律，还有待 试验验证． Al-Zn-Mg-Cu 铝合金没有现成的焊接材 料，利用 Al-Zn-Mg-Cu 系 7055-T6 态板材上线切割 出的线材与 7475 铝合金之间进行焊接其化学成分 上具有较好的相容性，在满足焊接性的要求时应该 具有较高的焊缝强度． 所以文中采用了上述三种不 同的焊接填充材料对喷射成形 7475 铝合金进行手 工 TIG平板对焊试验，通过焊接材料的改变得到不 同焊缝组织的喷射成形 7475 铝合金焊接接头． 并 对不同焊接情况下所获得的焊缝组织、接头性能及 热裂纹敏感性进行了研究． 1 试验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 母材采用经挤压、轧制加工制备的喷射成形 7475 铝合金板材，薄板的抗拉强度为 552 MPa，板材 尺寸为 250 mm ×100 mm ×5 mm． 试验选用的三种 焊丝分别为 4043(Al-Si)焊丝和 5356(Al-Mg)焊丝， 以及由 Al-Zn-Mg-Cu系 7055-T6 态板材经线切割出 的线材． 7475 铝合金名义成分如表 1 所示，焊丝的 化学成分如表 2 所示． 试验设备为福尼斯 2600 型 TIG焊机． 表 1 7475 铝合金名义成分(质量分数，%) Table 1 Nominal compositions of 7475 Al alloy Mg Cu Zn Si Fe Mn Cr Ti Al 0． 06 1． 2 ～ 1． 9 5． 2 ～ 6． 2 0． 1 0． 12 0． 06 0． 18 ～ 0． 25 0． 06 余量 采用交流钨极氩弧焊焊接喷射成形 7475 铝合 10 焊 接 学 报 第 33 卷 表 2 焊丝化学成分(质量分数，%) Table 2 Chemical compositions of welding wires 编号 Zn Mg Mn Cr Fe Si Zr Ti Cu 4043 0． 1 0． 2 0． 15 — 0． 6 4． 5 ～ 6． 0 0． 05 0． 15 0． 3 5356 0． 1 0． 05 ～ 0． 20 4． 5 ～ 5． 5 0． 05 ～ 0． 20 0． 40 0． 25 — 0． 06 ～ 0． 20 0． 10 7055 7． 6 ～ 8． 4 1． 8 ～ 2． 3 0． 05 0． 04 0． 15 0． 1 — 0． 06 2． 0 ～ 2． 6 金，开 60°坡口，间隙为 2 mm，采用对接接头． 坡口 加工好后先用直径 0． 2 mm左右的不锈钢钢丝刷清 除至露出金属光泽，再用丙酮进行清理． 焊接时采 用铜垫板及焊接夹具． 焊接保护气体为 99． 99%的 氩气，氩气流量为 10 L /min，钨极直径为 1． 6 mm． 分别采用 4043，5356，7055 三种焊丝对喷射成形 7475 铝合金进行焊接试验，焊丝直径 3 mm，焊接工 艺参数如表 3 所示． 表 3 焊接工艺参数 Table 3 Process parameters of welding 焊丝牌号 焊接电流 I /A 电弧电压 U /V 焊接速度 v /(mm·s － 1) 4043 170 17 1． 88 4043 170 17 1． 21 5356 170 17 1． 27 5356 170 17 2． 61 7055 180 17 2． 29 2 试验结果及分析 2． 1 接头的力学性能 接头的常温拉伸试验，取每个焊接参数状态下 3 个试样测试值的平均值作为该状态下的测定值． 焊接接头在各参数下的抗拉强度如表 4 所示． 表 4 焊接接头抗拉强度 Table 4 Tensile strength of welding joint 焊丝 焊接电流 I /A 电弧电压 U /V 焊接速度 v /(mm·s － 1) 热裂纹 抗拉强度 Rm /MPa 4043 170 17 1． 88 无 234 4043 170 17 1． 21 无 226 5356 170 17 1． 27 有 — 5356 170 17 2． 61 无 184 7055 180 17 2． 29 无 256 从表 4 中可以看到，选用 4043 焊丝获得的焊接 接头性能良好，在不同的热输入下都没有产生焊接 热纹，最高抗拉强度为 234 MPa，这已经超过了焊丝 自身 130 MPa的强度，原因是喷射成形 7475 铝合金 中大量的合金元素过渡到焊缝中，使得接头的强度 升高． 5356 焊丝在较低的热输入下，焊接接头没有 出现裂纹，但强度只有 184 MPa，达到焊材强度 260 MPa的 70%左右． 在热输入较高时，起弧后，在焊道 的 1 /6 处开始出现贯穿性热裂纹，沿着熔合区扩展， 在焊道 2 /3 处终止，而这时在焊缝的另一侧，裂纹在 靠近熔合区的焊缝中产生，发展向熔合区后平行于 熔合线继续扩展终止于焊道末端． 其裂纹形貌如 图 1所示． 图 1 热裂纹表面形貌 Fig. 1 Surface morphology of hot cracking 选用 7055 焊丝获得的接头强度为 256 MPa，比 自身焊丝强度低的原因是由喷射成形的强化机理造 成的，在没有进行后续热处理的前提下，其强度是较 低的． 以及采用熔焊方法焊接高强铝合金时存在接 头软化问题，且强度愈高，接头软化问题愈突出［4］． 断裂位置都在接头的熔合区内． 2． 2 接头的断口分析 在扫描电镜下观察各试样断口扫描电镜形貌， 如图 2 所示． 图 2a，c分别为 4043，7055 焊丝在适当 的热输入下接头的断口形貌． 5356 焊丝在高的热输 入条件下带裂纹区域的裂纹断口形貌如图 2b，将 图 2b 中呈糊状的区域放大 2000 倍，其形貌如图 2d 所示． 从图 2 中可以看到，选用 4043 焊丝试样的断口 为沿枝晶断裂，枝晶成河流状，断口韧窝细小，韧窝 较深，局部区域表现出很好的塑性，如图 2a 所示． 选用 7055 焊丝试样断面上晶粒细小，晶粒间局部区 域存在空洞和细小的二次裂纹，如图 2c 所示． 而 5356 焊丝在高热输入下产生的裂纹断口的 SEM 形 貌中可观察到断面凹凸不平，卵石状晶粒被大片液 膜覆盖，如图 2b所示，高倍下如图 2d 所示，可看出 晶间低熔点共晶凝固留下很大的晶粒间隙，晶界面 第 1 期 严 铿，等:焊接材料对喷射成形 7475 铝合金 TIG焊接头热裂纹的影响 11 图 2 焊接接头断口扫描电镜形貌 Fig. 2 SEM morphologies of tensile fracture of welded joint 相当圆滑，表明开裂时液相量较多，沿液相分离造成 开裂，为液化裂纹． 2． 3 接头组织特征分析 垂直于焊缝方向截取金相试样，将制备好的金 相试样在 ZEISS金相显微镜下拍摄焊接接头各区域 的金相组织，并观察裂纹与微观组织的相互关系． 图 3a，b，c 分别为选用三种焊丝焊接接头的焊缝区 (WZ) ，熔合区(FZ) ，热影响区(HAZ)组织，图 3d为 5356 焊丝在高的热输入下产生的热裂纹及其两侧 的微观组织． 由图 3a 可以看出，选用 4043 焊丝接 头组织比较均匀，为细小的等轴晶，熔合区内气孔较 多，氢的来源主要是弧柱气氛中的水分、焊接材料及 母材所吸附的水分，其中焊丝及母材表面氧化膜吸 附的水分，对气孔的形成占突出的地位． 图 3b 中， 熔合区内存在粗大白色小岛状组织，该组织将熔合 区内的柱状晶间隔开，在热输入较高时，裂纹正是在 熔合区内沿着该白色粗大小岛状组织与柱状晶的分 界线扩展的，如图 3d所示． 熔合区是接头中的薄弱 区域，焊接热裂纹主要在近焊缝的熔合区中产生和 扩展． 在图 3c 中，接头各区组织均匀细小，几乎没 有气孔存在，可以看到焊缝区与热影响区结合相当 良好，并没有看到焊接热裂纹的迹象，说明选用 4043 及 7055 焊丝在喷射成形 7475 铝合金试板对 接试验中焊接热裂纹倾向低． 图 3 喷射成形 7475 铝合金 TIG焊接头微观组织 Fig. 3 Microstructures of spray formed 7475 aluminum alloy welded joint in TIG welding 由于热裂纹是在熔合区内沿着该白色粗大小岛 组织与柱状晶的分界线发展的，试验将该白色小岛 区域截取下来，进行了 XRD 试验，图 4 为白色小岛 区域的 XRD衍射图谱． 对照 PDF卡片可知，在图 3b 中，白色粗大小岛 状组织主要由 α-Al，Al0． 403 Zn0． 597以及 Al7Cu3Mg6 组 成． 在焊接过程中，铜和锌由母材向焊缝进行扩散 和焊缝中的镁在熔合区形成 α-Al、Al0． 403 Zn0． 597和 Al7Cu3Mg6 相在晶界和枝晶间形成偏析，熔点是 411 ℃［6］，为低熔点共晶，在焊接非平衡凝固过程中以 液膜形式铺展润湿晶界，在焊接应力的作用下开裂． 而4043焊丝中的镁含量较低，故热裂纹敏感性较 图 4 试样的 XRD衍射图谱 Fig. 4 X-ray diffraction spectrum of samples 12 焊 接 学 报 第 33 卷 低． 并且 4043 中含有较多的硅，可以形成较多的 Al-Si低熔点共晶，在凝固过程中产生“自愈合”效 应． 所以在不同的焊接热输入下，都没有发生焊接 热裂纹． 而采用 7055 焊丝因为焊丝的成分基本相 同，所以热裂纹倾向较低． 3 结 论 (1)采用 TIG焊方法对喷射成形铝合金进行焊 接，但接头强度普遍较低． (2)喷射成形 7475 铝合金进行 TIG焊接时，热 输入对热裂纹敏感性影响较大，5356 焊丝具有较大 的焊接热裂纹敏感性，焊接热输入较高时，在熔合区 内出现贯穿性裂纹并沿着熔合区扩展;在热输入低 时，接头没有出现热裂纹，但抗拉强度比选用 4043 及 7055 焊丝的强度要低． (3)采用 5356 焊丝对喷射成形 7475 铝合金进 行 TIG焊接时，在靠近熔合区的焊缝中存在粗大白 色小岛状组织，该组织由相 α-Al，Al0． 403 Zn0． 597和 Al7Cu3Mg6 组成． (4)喷射成形 7475 铝合金采用 5356 焊丝进行 TIG焊时的热裂纹产生机理是:在焊接非平衡凝固 过程中，母材中的铜和锌向焊缝进行扩散和焊缝中 的镁在熔合区形成 α-Al，Al0． 403 Zn0． 597和 Al7Cu3Mg6 相在晶界和枝晶间形成偏析，熔点是 411 ℃，以液膜 形式铺展润湿晶界;同时由于共晶液相数量较少不 能通过“治愈”效应回填凝固中已产生的裂纹，造成 喷射成形 7475 铝合金产生液化裂纹． 参考文献: ［1］ 张 豪，张 捷，杨 杰，等． 喷射成形工艺的发展现状及其 对先进铝合金产业的影响［J］． 铝加工，2005，163(4) :1 － 6． Zhang Hao，Zhang Jie，Yang Jie，et al． Current development situ- ation of spray forming process and Its influence on advanced alumi- num alloy industry［J］． Aluminum Fabrication，2005，163(4) :1 － 6． ［2］ 李建涛． LF21 铝合金 TIG_FSW焊接头组织与性能研究［D］． 大连:大连交通大学，2008． ［3］ 唐秀梅，张宏伟，杨金凤． 浅析 7A10 铝合金焊接裂纹的成因 及预防 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ［J］． 轻合金加工技术，2003，31(7) :40 － 41． Tang Xiumei，Zhang Hongwei，Yang Jinfeng． Preventive and cause of crack during welding 7A10 aluminum alloy［J］． Light Al- loy Fabrication Technology，2003，31(7) :40 － 41． ［4］ 李小飞． 2195 铝锂合金焊接热裂纹敏感性和焊接材料研究 ［D］． 北京:北京航空材料研究院，2007． ［5］ 陈文静，屈金山，谢 君，等． 15CrMoR钢材的焊接接头组织 及其硬度分析［J］． 西华大学学报·自然科学版，2006，25 (4) :35 － 37． Chen Wenjing，Qu Jinshan，Xie Jun，et al． Discussion of the mi- crostructure and hardness of welded joints for steel 15GrMoR［J］． Journal of Xihua University (Natural Science Edition) ，2006，25 (4) :35 － 37． ［6］ 吴凯杰． 以喷射成型研制 AZ61 镁合金及其纳米颗粒强化镁 基复合材料与其机械性质之探讨［D］． 台湾:国立成功大学， 2006． 作者简介:严 铿，男，1961 年出生，教授，硕士研究生导师． 主 要从事焊接新工艺和搅拌摩擦焊工艺研究． 发表 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 50 余篇． Email:yankeng@ 126． com ［上接第 5 页］ (2)在常规焊接束流 100 mA 时，系统控制精 度高于 0． 4% ． (3)电源主电路为 PWM buck-boost 变换器，具 有升压作用，其电源变压器的升压比可以相应的降 低，变压器绝缘等级也相应降低． 参考文献: ［1］ Gorchakova N G，Prikhod’ko V G，Timoshenko N I，et al． The control of process parameters of electron-beam technologies［C］∥ The 4th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology，2000，1:109 － 112． ［2］ Malik P，Agrawal P． A neural networks based controller for elec- tron beam welding power supply［C］∥ Power Electronics，Drives and Energy Systems(PEDES)＆ 2010 Power India，Joint Interna- tional Conference，India，2010:1 － 5． ［3］ Li Z X，Wang Z T，Fan S W． Development of high frequency and high voltage source for electronic beam welder［J］． Journal of North China University of Technology，2010，22(3) :16 － 19． ［4］ 莫金海，韦寿祺，何少佳，等． 新型 PWM-BUCK 电子束焊机 稳定高压电源的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ［J］． 焊接学报，2009，30(6) :34 － 38． Mo Jinhai，Wei Shouqi，He Shaojia，et al． Design of stabilized high-voltage source with PWM-BUCK for electron beam welder ［J］． Transactions of the China Welding Institution，2009，30 (6) :34 － 38． ［5］ He Shaojia，Mo Jinhai，Wei Shouqi，et al． Design of a novel PWM boost type EBW stabilized high voltage source［C］∥ Inter- national Conference on Communications，Circuits and Systems， Kokura，Japan，2008:1292 － 1296． ［6］ 徐德鸿． 电力电子系统建模与控制［M］． 北京:机械工业出版 社，2006． ［7］ Rashid，Muhammad H． Power electronics handbook:Devices，cir- cuits，and applications［M］． Beijing:Higher Education Press，2007． 作者简介:何少佳，男，1963 年出生，博士，副教授． 研究方向为 电力电子与电力传动、智能控制、机电控制技术． 发表论文 20 余篇． Email:hmhsj@ guet． edu． cn 书书书 2012，Vol． 33，No． 1 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION MAIN TOPICS，ABSTRACTS ＆ KEY WORDS Design and implementation of a power control system for e- lectron beam welder HE Shaojia，LI Jianling，MO Jinhai， LI Haibiao (School of Mechanical ＆ Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，Chi- na)． pp 1 － 5，12 Abstract: Stability of output voltage of high-voltage accel- erating stabilized power supply for electron beam welder (EBW) is a prerequisite to ensure the electron beam welding quality． The common power supplies have the disadvantages of circuit complexity and bulkiness． A novel control system of high-voltage accelerating stabilized power supply for EBW was designed． Its main circuit is based on pulse-width modulation (PWM)buck- boost converter topology． Compared with common EBW power supplies，this new power supply requires a much lower voltage grade transformer because of the converter＇s effect for rising volt- age，so its volume is smaller and the circuit is simpler． The sys- tem main circuit characteristics and its working process were ana- lyzed． The system circuit＇s small-signal mathematical model was created，and lag-lead correction compensation control was em- ployed in the system to achieve static and dynamic performance requirements． The results displayed that this unit had the charac- teristics of fast response，high reliability，high control precision and anti-interference capability． Key words: electron beam welder;buck-boost converter; simulation Effects of ultrasonic on properties of joints welded by fric- tion stir welding process MA Huikun，HE Diqiu，LIU Jin- shu (College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)． pp 6 － 8 Abstract: In this paper，joints of 2219，7A52 and LF21 aluminum alloy were obtained by using a self-made ultrasonic friction stir welding machine． The microstructures and fractogra- phy of these joints were studied． The results show that the ther- mal mechanically affected zone (TMAZ)of ultrasonic friction stir welding is almost disappearing;The grains of weld nugget zone (WNZ)by ultrasonic friction stir welding are much finer than the ones obtained by conventional friction stir welding;The ten- sile fracture of base material appears to be mixed fracture with dimple and tear ridges． The tensile fracture of ultrasonic friction stir welding appears to be a dimple pattern． Although the tensile strength of joints obtained by ultrasonic friction stir welding are higher than the ones obtained by conventional friction stir weld- ing，the elongation of the joints fellow on opposite tendency． Key words: friction stir welding;ultrasonic;property Effects of welding materials on hot crack of spray formed 7475 Aluminum alloy in TIG welding joint YAN Keng， YE Youli，WANG Xiling (Provincial Key Lab of Advanced Welding Technology，Jiangsu University of Science and Technol- ogy，Zhenjiang 212003，China)． pp 9 － 12 Abstract: In this paper，the spry formed 7475 aluminium alloy was welded by TIG welding process with the welding con- surnable 4043，5356 and 7055 respectively． The susceptibilities of hot cracking，as well as the mechanical properties，micro- structures，the morphologies and the phase compositions of joints were studied in all three kinds of welding consumables． The re- sults showed that susceptibility of hot cracking of welding materi- al 5356 was closely related to the heat input． In condition of high heat input，Cu and Zn in parental material diffuse to weld and form low melting point eutectic phased α-Al，Al0． 403 Zn0． 597 and Al7Cu3Mg6 at fusion area with Mg from weld． And then they seg- regate at inter-granular and inter-dendrite． Therefore，penetrated hot cracks appeared in the fusion area under the action of welding stress． No crack appeared in condition of low heat input but the tensile strength of welded joint was only 184MPa． However，hot cracking susceptibilities of welding consumables 4043 and 7055 are relatively lower． Key words: spray formed aluminum alloy;TIG welding; hot crack A analysis method of seam tracking accuracy based on wheeled robot HONG Bo，ZHANG Qilin，LI Xiangwen， YIN Li (School of Mechanical Engineering，Xiangtan Universi- ty，Xiangtan 411105，China)． pp 13 － 16 Abstract: Based on the research of the wheeled robot seam tracking accuracy in 4 degrees of freedom，a new character- ization assessment of seam tracking accuracy method was pro- posed，and 5-parameter model under D-H coordinate system in seam bias was built up as well． By this model，the main error sources affecting the accuracy of seam tracking is theoretically analyzed． Through the simulation analysis of fixed-step and vari- able step method of seam tracking control，the correctness and validity to accuracy of analytical methods and modeling presented in this paper were verified，the main reason affecting seam track- ing accuracy was seam tracking control algorithm and robot posi- tioning accuracy． The accuracy analysis method have guiding sig- nificance for seam tracking control of robot error compensation and the improvement of seam tracking control method． Key words: seam tracking;robot;accuracy analysis Diffusion bonding of TiAl to Ni-based superalloy HE Peng1，LI Haixin1，LIN Tiesong1，Huang Yudong2，LIU Yu1， QIAN Guotong3(1． State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining，Harbin institute of Technology，Harbin 150001， China;2． School of Chemical Engineering and Technonlgy，Har- bin institute of Technology，Harbin 150001，China;3． Shaoxing Tianlong Tin Materials CO．，LTD，Shaoxing 312001，China)． Ⅰ