5052铝合金MIG焊工艺及接头性能

5052铝合金MIG焊工艺及接头性能 西 南 交 通 大 学 本科毕业设计( 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 ) 5052铝合金MIG焊工艺及接头性能研究 年 级:2007级 学 号:20075344 姓 名:马英杰 专 业:材料成型及控制工程 指导老师:刘拥军 2011年06月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第?页 院 系 材料科学与工程 专 业 材料成型及控制工程 年 级 2007级 姓 名 马英杰 题 目 5052铝合金MIG焊工艺及接头性能研究 指导教师 评 语 指导教师 (签章) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章) 成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第II页 毕 业 论 文 任 务 书 班 级: 成型2007-02班 学生姓名: 马英杰 学 号: 20075354 发题日期: 2011-02-28 完成日期: 2011-06-17 目: 5052铝合金MIG焊工艺及接头性能研究 题 1、 本论文的目的、意义 随着中国铁路等行业的快速发展，对铝合金的需求越来越多，对铝合金焊接质量要求也越来越高。本设计母材选用5052铝合金，采用优化的熔化焊工艺，选用合适的焊接材料，制备铝合金焊接接头，测试并分析接头性能，并与FSW接头性能进行比较。该设计的开展有利于学生深入掌握焊接工艺知识，掌握焊接接头性能试验测试分析 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 ，掌握焊接方法的选择原则及工艺参数优化设计方法等，同时有利于培养学生动手能力和独立思考问题、解决问题的能力，加强了理论联系实际，为其从事焊接工艺等设计开发工作奠定了基础。 2、 学生应完成的任务 ? 查阅资料、收集整理资料，明确本设计目的; ? 选择5052铝合金焊接材料及熔化焊工艺; ? 焊接接头制备及性能试验; ? 外文资料的阅读及翻译; ? 撰写毕业论文。 3、 论文各部分内容及时间分配(共 16 周) 第一部分: 查阅资料、收集整理资料 (1周) 第二部分: 选择5052铝合金焊接材料及熔化焊工艺 (2周) 第三部分: 焊接接头制备及性能试验 (8周) 第四部分: 外文资料的阅读及翻译 (1周) 第五部分: 撰写毕业论文 (2周) 论文评阅及答辩: (1周) 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第III页 4、 参考文献 王元良，周友龙，胡久富(铝合金运载工具轻量化及其焊接新技术的发展[J].电焊机，2005，35(9):14-15 边美华，许先果(铝合金复合焊接技术的发展现状[J](电焊机，2005，35(8):29-32 彭云，许良红(焊接热输入对高强铝合金接头组织和性能的影响[J](焊接学报，2008，29(2):17-21 指导教师: 年 月 日 审 批 人: 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第IV页 摘 要 随着中国铁路等行业的快速发展，对铝合金的需求越来越多，对铝合金焊接质量要求也越来越高。铝合金焊接工艺、材料和接头强度研究在“八五”期间就被列为国家攻关项目。对于铝合金的焊接方法众多，但对于厚板的焊接，MIG焊独具优势:设备简单，熔深大，焊接效率较高，焊接质量好，焊接可达性好，适应性好，对长、短曲线焊缝都能很好焊接且易于实现自动化等优点。 本设计母材选用5052铝合金，焊接材料选用Ф1.6mm的ER5356焊丝，以线能量输入的不同，选择三组工艺参数对300×150×6mm的母材进行MIG焊，对焊接接头采用拉伸、弯曲、冲击、硬度、微型剪切等常规力学性能试验和金相组织分析。 在此工艺下，接头抗拉强度达到母材的82.5%，焊接接头存在软化现象，HV值在56左右，焊缝硬度值在HV65左右，软化区的硬度低于焊缝，接头韧性都很好，正弯和反弯都达到180?。拉伸试验时，断裂位置均在软化区附近，断口灰暗无光泽，有明显的颈缩现象，为韧性断裂。焊缝冲击功最低，热影响区其次。微剪试验的压入率随着焊缝到母材的靠近，逐渐减小。焊缝的金相组织主要是α(Al)+β(Mg Al)23主，且晶粒粗大，气孔比其它区域多，并且很大。试验结果表明，对于5052铝合金的焊接，采用优化的MIG焊工艺，焊接接头性能比较良好。 关键词: 铝合金;MIG焊;焊接接头;工艺试验 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第V页 Abstract With the rapid development of railways and other industries, the demand for more and more of aluminum, aluminum alloy welding quality requirements are also increasing. Aluminum welding technology, materials, and joint strength of the "Eighth Five-Year" period was listed as a national research project.Many methods for welding aluminum, but for thick plate welding, MIG welding unique advantage: The device is simple, deep penetration, high welding efficiency, welding quality, welding good accessibility, adaptability, on the long, welding seam curve can be short and easy to implement well the advantages of automation. The 5052 selection of the base metal alloy design, material selection Ф1.6mm of ER5356 welding wire to wire the different energy input, select three groups of process parameters on the 300 × 150 × 6mm of the base metal for MIG welding, welded joints by tensile , bending, impact, hardness, micro-cutting and other conventional mechanical test and microstructure analysis. In this process, the joint strength of 82.5% in the base metal, there is softening of welded joints, HV value of 56 or so, the HV65 hardness around the weld, the hardness is lower than the weld softening zone, the joint toughness is good, is bending and reverse bending has reached 180 ?. Tensile test, fracture location are in the softening zone near the fracture surface dull gray with obvious necking, ductile fracture.The lowest impact energy weld, heat affected zone followed. Micro-indentation shear tests rate as close to the weld to the base material, and gradually decreased. Weld microstructure is mainly α (Al) + β (Mg2 Al3) Lord, and coarse grains, stomata more than other areas, and large. The results show that for 5052 aluminum alloy welding, MIG welding process using optimized, relatively good performance of welded joints. key words: Aluminum;MIG welding;Welded joints;Process Test 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第VI页 目录 第1章 绪论 ................................................................................................................... 1 1.1 前言............................................................................................................... 1 1.2铝合金的概述及分类 ...................................................................................... 1 1.2.1概述 ............................................................................................................ 1 1.2.2分类 ............................................................................................................ 2 1.3 铝合金焊接 .................................................................................................... 3 1.3.1铝合金的焊接特点 .............................................................................. 3 1.3.2铝合金的焊接方法 ..................................................................................... 4 1.3.3焊接材料的选用原则 ................................................................................. 5 1.4 MIG焊简介 .................................................................................................... 6 1.4.1MIG焊的基本概念 ..................................................................................... 6 1.4.2.MIG焊的主要特点 .................................................................................... 7 1.4.3MIG焊熔滴过渡特点 ................................................................................. 7 1.4.4MIG焊接存在的问题与难点 ...................................................................... 8 1.4.5 MIG焊的工艺参数 .................................................................................... 9 1.5 国内外铝合金的焊接新技术 ......................................................................... 10 1.6 本次论文的研究内容及意义 ......................................................................... 12 试验材料及方法 ............................................................................................. 14 第2章 2.1 试验材料 .............................................................................................................. 14 2.2 MIG焊工艺试验 ......................................................................................... 15 2.2.1 焊前准备 ................................................................................................. 15 2.2.2 焊接设备及操作方法 .............................................................................. 16 2.2.3焊接速度的测定 ....................................................................................... 17 2.2.4 试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计.......................................................................................... 17 2.3 组织和性能试验方法.................................................................................... 19 2.3.1显微组织分析........................................................................................... 19 2.3.2 硬度试验 ................................................................................................. 20 2.3.3 拉伸试验 ................................................................................................. 21 2.3.4 弯曲试验 ................................................................................................. 22 2.3.5 冲击试验 ................................................................................................. 23 2.3.6 微型剪切试验.......................................................................................... 24 第3章 试验结果及其分析.......................................................................................... 26 3.1 焊缝宏观形貌及分析.................................................................................... 26 3.2焊接接头显微组织及其分析 .......................................................................... 27 3.3维氏硬度 ...................................................................................................... 30 3.4拉伸试验及断口分析 .................................................................................... 33 3.5弯曲试验结果及分析 .................................................................................... 34 3.6 冲击试验结果及分析.................................................................................... 36 3.7 微型剪切数据及分析.................................................................................... 37 第4章 对比分析及综合分析 ........................................................................................ 39 4.1 MIG焊工艺试验综合分析 ............................................................................. 39 4.2与搅拌摩擦焊接头性能的对比 ...................................................................... 41 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第VII页 4.2.1拉伸试验数据对比 ................................................................................... 41 4.2.2冲击试验数据对比 ................................................................................... 41 4.2.3弯曲试验数据对比 ................................................................................... 42 4.2.4硬度试验数据对比 ................................................................................... 42 4.2.5 金相对比 ................................................................................................. 43 4.2.6 综合分析 ............................................................................................... 44 结 论 ................................................................................................................ 45 致谢 ....................................................................................................................... 46 参考文献 ................................................................................................................ 47 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第1页 第1章 绪论 1.1 前言 近年来，铝合金在汽车制造、造船业、国防和航天航空、容器制造、娱乐和体育器材业等制造领域得到越来越广泛的应用。铝合金是汽车上应用得最快最广的轻金属，其中的关键在于铝合金本身的性能优越。由于它具有高强高韧、高比强高比模、耐热耐蚀等特性一直受到世界各国的普遍重视。美国、德国等发达国家开始生产铝合金高速客车、地铁客车，并取得了巨大的社会效益。 我国对此技术研究起步较晚，目前正在加紧这项技术的研究与试验，并已成功试制成铝合金高速客车体。我国已经建立了比较完整的铝合金研究和生产体系，铝及铝合金材料产能达到450万吨，实际综合生产能力约350万吨。可生产l8大类，200多种铝合金，2400多个品种，14000多种规格的铝及铝合金加工产品，基本能满足国民经济需求，但高性能、大规模航空用预拉伸铝合金板、高档民用板带箔材如特薄罐用铝合金板、PS基版、高压电子箔材等都达不到国际先进水平，尚不能满足需要我国高性能铝合金的研究开发和生产基本上是跟踪国外技术基础上发展起来的， []1已能生产多种牌号的高性能铝合金并用于我国航空航天工业。 1.2铝合金的概述及分类 1.2.1概述 铝合金是工业中应用最为广泛的一种色金属结构材料，在汽车、航空、航天、船舶、机械制造以及化学工业中已大量应用。随着近年来工业经济及科学技术的飞 速发展，工业上对对铝合金焊接结构件的需求量日益增多，这也促进了对铝合金的焊接性研究。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又 [2]扩展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。 纯铝的密度小(ρ=2.7g/m3)，大约是铁的1/3，熔点低(660?)，铝是面心立 方结构，故具有很高的塑性(δ:32~40%，ψ:70~90%)，易于加工，可制成各种型 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第2页 材、板材。抗腐蚀性能好;但是纯铝的强度很低，退火状态σ值约为8kgf/mm2，故b 不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及 运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σ值分别可达24,b 60kgf/mm2。这样使得其“比强度”(强度与比重的比值σ/ρ)胜过很多合金钢，成 b 为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面， 飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板 [3]材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。 1.2.2分类 铝含量不低于99.00%时为纯铝，纯铝的性能在大多数场合不能满足使用要求。为此，人们再纯铝中添加各种合金元素，以生产出满足各种性能和用途的铝合金。铝合金可加工成板、带、条、箔、管、棒、型、线、自由锻件和模锻件等加工材，也可加工成铸件、压铸件等铸造材。加工材和铸造材又可分为热处理型铝合金材料和非热处理型铝合金材料。 变形铝合金的分类方法很多，目前，世界上绝大部分国家通常按以下三种方法进行分类。 (1)按合金状态及热处理特点分为:可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两大类。 (2)按合金性能和用途分为:工业纯铝，光辉铝合金，切削铝合金，耐热铝合金，低强度铝合金，中强度铝合金，高强度铝合金(硬铝)，超高强度铝合金(超硬铝)。 (3)按合金所含主要元素成分分为:工业纯铝(1***系)，Al-Cu合金(2***系)，Al-Mn合金(3***系)，Al-Si合金(4***系)，Al-Mg合金(5***系)，Al-Mg-Si合金(6***系)，Al-Zn-Mg-Cu合金(7***系)，Al-Li合金(8***系)及备用合金组(9***系)。第一位表示其组别，牌号的第二位表示原始纯铝或铝合金的改型情况，最后两 [4]位数字用以标认同一组中不同的铝合金或表示铝的纯度。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第3页 1.3 铝合金焊接 1.3.1铝合金的焊接特点 铝合金的焊接特点如下: (1)铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝(AlO)熔点高、非常稳定，23 不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、 [5]未熔合、未焊透等缺陷。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。 [5~6]焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过阴极清理作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要阴极清理。 (2)铝及铝合金的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝及铝合金时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措[7]施。 (3)铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊 [8]接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5%时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。 (4)铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。 (5)铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第4页 快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。 (6)合金元素易蒸发、烧损，使焊缝性能下降。 (7)母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。 (8) 铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。 因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊 [9,10]接方法。 1.3.2铝合金的焊接方法 几乎各种焊接方法都可以用于焊接铝及铝合金，但是铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作方便。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊(TIG或MIG)方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛(氩气 [11]或氩/氦混合气)。 铝及铝合金的焊接，必须掌握其焊接特点及可能出现的问题，方能选择合适的焊接方法和相应的工艺措施。 (1 ) 铝及铝合金具有极易氧化、容易生产氢气孔、合金元素易蒸发和烧损的特点，这就要求采用保护效果好的焊接方法。 (2) 铝及铝合金的热导， 电导性高，热容量大，焊接时热损失大;焊接时在焊体中会产生较大热应力的变形，易形成热裂纹;热输入越大焊接后强度、性能降低越严重， 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第5页 [12]这就要求采用热功率大、能量集中的焊接方法。 传统的MIG焊比较适宜焊接中厚板，它的焊接电流大、电弧热量集中、功率大、 3倍，可轻易地进行全焊接效率高，生产效率比铝及铝合金手工TIG焊至少提高2, 位置焊接。现在随着焊接技术的提高也能进行铝及铝合金的薄板焊接。MIG焊具有设备简单，熔深大，焊接效率较高，焊接质量好，焊接可达性好，适应性好，对长、短曲线焊缝都能很好焊接且易于实现自动化等优点，当前铝合金的焊接生产尤其是中厚板构件的焊接绝大多数都采用了MIG焊，为了减少焊接的热输入并有效地利用热 [6~9]量，主要采用了脉冲MIG焊。 1.3.3焊接材料的选用原则 焊丝是影响焊缝金属成分、液相线温度、组织、固相线温度、焊缝金属及近缝 区母材的抗热裂性、耐腐蚀性及常温或高温低温下力学性能的重要因素。当铝材焊 接性不良，出现裂纹，焊接接头力学性能不良或者焊接结构出现脆性断裂时，改用 适当的焊丝而不改变焊件设计和工艺条件常常是必要、可行和有效的技术措施。所 以本文也通过相关的分析手段对两种焊丝的焊接接头进行了详细的对比分析，以证 明焊丝的选择和工艺参数的调节同等重要。铝及铝合金焊丝的选用除考虑良好的焊 接工艺性能外，按要求应使焊接接头的抗拉强度、塑性(通过弯曲试验)达到规定要 求。因而焊丝的选用主要按照下列原则进行: (1)纯铝焊丝的纯度一般不低于母材。 (2)铝合金焊丝的化学成分一般与母材的相应或相近。 (3)铝合金焊丝中的耐蚀元素(镁、锰、硅等)的含量一般不低于母材的。 [3~6](4)异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝。 此外，焊接铝镁合金时，为弥补焊接过程中烧损的镁含量，应采用含镁量比基体。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第6页 金属高1%,2%的焊丝。焊丝中常常加入Ti用以细化焊缝金属的晶粒。焊补铸铝的焊丝一般与基体金属成分相同;铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属，用以控制焊缝根部形状和余高量。 1.4 MIG焊简介 1.4.1MIG焊的基本概念 熔化极惰性气体保护电弧焊，英文缩写为MIG焊。使用惰性气体可以是氩(Ar)、氦(He)、或氩与氦混合。因惰性气体与液态金属不发生冶金反应，只起包围焊接区使之与空气隔离作用，所以电弧燃烧稳定，熔滴向熔池过度平稳、安定、无激烈飞溅。这种方法最适用于铝、铜、钛等有色金属的焊接、也可以用于钢材，如不锈钢、耐热钢等焊接。其设备通常由弧焊电源、控制箱、送丝机构、焊炬、水冷系统及供气系统 [13]组成。 MIG焊工作原理如图1-1所示。焊丝由送丝滚轮送进，在氩气的完好保护下，与工件形成电弧，继而形成熔池和焊缝，焊丝既是填充金属，又是电极，而工件同时也 [14]是电极。 图1-1 MIG焊工作原理 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第7页 1.4.2.MIG焊的主要特点 MIG焊适合焊接铝合金厚板，其主要特点如下: (1)几乎可以焊接所有的金属，如铝、镁、铜、钛、镍及其合金，以及碳钢、不锈钢、耐热钢等。焊接中氧化烧损极少，只有少量的蒸发损失，焊接冶金过程比较单纯。 (2)生产率较高、焊接变形小。由于是连续送丝，允许使用的电流密度较高，熔深大，填充金属熔敷速度快;没有更换焊条工序，节省时间;用于焊接厚度较大的铝、铜、钛等有色金属及其合金时生产率比钨极氩弧焊高，焊件变形比钨极氩弧焊小。 (3)焊接过程易于实现自动化。焊接过程参数稳定，易于检测及控制。目前，绝大多数的弧焊机器人采用这种焊接方法。 (4)对氧化膜不敏感，焊前几乎无需去除氧化膜的工序。熔化极氩弧焊一般采用直流反接。 (5)可以获得含氢量较低的焊缝金属;焊接过程烟雾少，可以减轻对通风的要求。 (6)可以通过采用短路过渡和脉冲进行全位置焊接;焊道之间不需清渣，可以用更 [15~19]窄的坡口间隙，实现窄间隙焊接，节省填充金属和提高生产率。 1.4.3MIG焊熔滴过渡特点 熔化极氩弧焊是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属，形成熔池和焊缝的焊接方法。为了得到良好的焊缝应利用外加气体作为电弧介质并保护熔滴，熔池金属及焊接区高温金属免受周围空气的有害作用。根据所用焊丝及焊接规范的不同，熔化极氩弧焊的熔滴过渡方式主要有:短路 [20]过渡、大滴过渡、喷射过渡等。 1)短路过渡 熔滴过渡只发生在焊丝与熔池接触时，而在电弧空间不发生熔滴过渡。这种过渡工艺通常产生体积小儿快速凝固的焊接熔池，适合于薄板、全位置焊 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第8页 接和有较大底层间隙的搭桥焊。 2)大滴过渡 这种过渡形式一般出现在电弧电压较高，焊接电流较小的情况下。由于利用这种过渡工艺所形成的焊缝易出现熔合不良、未焊透、余高过大等缺陷，因此在实际焊接中一般不采用。 3)喷射过渡 用富氩保护气体保护可产生稳定的、无飞溅的轴向喷射过渡，这种过渡形式出现在焊接电压较高、焊接电流较大的情况下要求直流反接和电流在临界值以上。焊接不同的材料时，喷射过渡的形态是不同的;低碳钢、合金钢及不锈钢焊接时的喷射过渡呈流束状，这种喷射过渡又叫做射流过渡;铝及其合金焊接时的喷射过渡呈滴状过渡。 1.4.4MIG焊接存在的问题与难点 MIG焊这种工艺方法的缺点，主要是MIG焊的设备成本相对来说较高，且焊接的焊缝有时可能生成气孔。目前国内针对厚板铝合金的焊接普遍采用的是熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)工艺，然而普通熔化焊的热输入比较大，接头软化、裂纹、气孔 [21]等问题都很难解决，接头的强度往往只有母材的60%左右。可以说铝合金的MIG焊接(金属极惰性气体保护焊接)比钢材的焊接难度更大。这是因为在实际的电弧焊接中，铝合金MIG焊接存在特有的困难，如:焊道易下垂;采用惰性气体保护会使电弧不稳定;容易产生气孔及裂纹等焊接缺陷。此外，铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也限制了弧焊在铝合金构件上的使用。 铝及铝合金MIG焊需注意的问题: (1)喷射过渡焊接时，电弧电压应稍低一点，使电弧略带轻微爆破声，此时熔滴形式属于喷射过渡中的射滴过渡。弧长增大对焊缝成型不利，对防止气孔也不利。 (2)在中等焊接电流范围内(250~400A)，可将弧长控制在喷射过渡区与短路过渡区之间，进行亚射流电弧焊接。这种熔滴过渡形式的焊缝成形美观，焊接过程稳定。 (3)粗丝大电流MIG焊(400~1000A)在平焊厚板时具有熔深大、生产率高、变形小等优点。但由于熔池尺寸大，为加强对熔池的保护，应采用双层保护焊枪(外层喷 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第9页 嘴送Ar气，内层喷嘴送Ar~He混合气体)，这样可扩大保护区域和改善熔池形状。 [21~26](4)大电流时，为了保护熔池后面的焊道，可在双层喷嘴后面再安装附加喷嘴。 1.4.5 MIG焊的工艺参数 MIG焊的工艺参数主要有:焊丝种类及直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝伸长长度、保护气体种类及流量、电源极性、焊枪倾角、焊接方向以及喷嘴高度等。 焊丝的种类与直径: 焊丝直径根据工件的厚度、施焊位置来选择。薄板焊接及空间位置焊接通常采用 1.2mm)，平焊位置的中等厚度板焊接通常采用粗丝。 MIG焊一般采用细丝(直径? 与母材成分相近的焊丝，有时为了改善焊接性、提高焊接接头性能、采用与母材不同的焊丝。 焊接电流: 焊接电流是最重要的工艺参数，MIG通常采用直流反接，这种接法的优点是，熔点过度稳定，熔透能力大且阴极雾化效应大。实际焊接中根据工件的厚度。焊丝直径、焊接位置来选择焊接电流。采用等速送丝时，焊接速度是通过送丝速度来调节。当所有其它参数保持恒定时，焊接电流与送死速度或融化速度以非线性关系变化。当送丝速度增加时，焊接电流也随之增大。对每一种直径的焊丝，在低电流时曲线接近于线性;可是在高电流时，特别是细焊丝时，曲线变为非线性，而且随着焊接电流的增大，融化速度以更高的速度增加。当焊丝直径(保持相同的送丝速度)，要求更高的焊接电流。送丝速度与焊接电流的关系还受焊丝化学成分的影响。 焊接电压: 焊丝直径一定时，要获得稳定的熔滴过渡，除了选用与之相适应的焊接电流外，还必须匹配合适的焊接电压。在稳定的焊接过程中，焊接电压主要影响熔宽，对溶深的影响较小。焊接电压应根据焊接电流的大小、保护气体的成分、被焊材料的种类。熔滴过渡方式来选择。 焊接速度: 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第10页 焊接速度即焊枪沿焊缝中心相对移动的速度，是重要的焊接工艺参数之一。焊接速度与焊接电流适当配合才能获得良好的焊缝成形。提高焊接速度，单位长度上电弧给母材的热量显著减少，母材融化速度减慢。在焊接热输入不变的条件下，焊接速度过大，焊宽、溶深减小，甚至产生咬边、未融合、未焊透等缺陷。如果焊接速度过慢，单位长度焊缝上的熔敷量增加，熔池体积增大，熔宽增加，不但直接影响生产效率，还可能导致烧穿，焊接变形过大的缺陷。 焊丝伸长长度: 焊丝伸长长度是指导电嘴端部到焊丝端部的距离。焊丝伸长长度越长，焊丝的电阻越大，融化速度越快。焊丝伸长长度影响焊丝预热，对焊接过程及焊缝质量有显著影响。焊接伸出长度一般根据焊接电流的大小，焊丝的直径及焊丝电阻率来选择。 1.5 国内外铝合金的焊接新技术 (1)YAG激光焊，激光焊是利用高能量的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法， 具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适应性强等优点，受到广泛的重视，并已应用于航空航天、汽车制造、轻工电子等领域。现在工业领域中占统治地位的是CO 激光焊，但由于铝合金对长波长的激光反射率很高，同时，YAG2 激光器自身功率又在不断提高， 因而短波长的YAG激光焊正在逐步替代长波长的 [27]CO 激光焊，成为主要的铝合金激光焊接技术。 2 用 YAG激光焊焊接铝合金优点很多:a，可减少焊前准备工作，如加工坡口、接头固定等;b，熔池窄而深，可实现厚板一次焊接成形，快速且高精度;c，低热输入， HAZ很窄，焊后变形和残余应力小;d，容易实现自动焊;e，相对于电子束焊来说， 设备成本低;f，可根据需要添加填充焊丝来减少裂纹的出现，并可调整焊缝化学成分和焊缝性能(也是相对电子束焊来说的);g，YAG激光器发射的短波激光可在光纤里传播，这样可大大加强激光焊接设备的灵活性，可焊很复杂的零部件。用 YAG 激光焊焊接铝合金时，主要出现的缺陷有气孔和热裂纹。如果控制不好，焊缝 [27~29]中会出现较多气孔，深熔焊时根部还可能出现空洞。 (2)电子束焊，电子束焊是一种能量密度非常高，焊接效果特别好，适应范围遍及 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第11页 各工业部门的现代焊接方法。在航空航天部门、汽车制造业有很多质量要求高的铝合金零部件就是采用电子束焊加工。 电子束焊焊铝优点很多:a，最突出的是焊缝深宽比高，可达60:1，可一次焊透 300mm以上的铝合金板;b，焊接速度快，焊接物理性能好，能量非常集中，熔化和凝固过程快;c，焊缝纯洁度高，真空对焊缝有良好的保护作用，尤其是高真空电子束焊;d，工艺适应性强，参数易于精确调节，对焊接结构有广泛的适应性;e，再现性好，电子束焊焊接参数易于实现机械化、自动化控制;f，简化加工工艺，可把大体积整件分为易于加工的、简单的小型部件，然后用电子束焊焊为一复杂整体，减 [6~10]少加工难度、 节省材料、简化工艺。 近年来，国外对电子束焊及其电子束加工的研究主要在于完善超高能密度电子束热源装置，掌握电子束品质与材料的交互行为特性，从而改进加工工艺技术 通过计算机及CNC控制提高设备柔性以扩大其应用领域。在日本的大阪大学已研制了600KV，300KW的超高压电子束热源装置，在日本、德国和俄罗斯等国还开展了填丝电子束焊工艺研究。 (3)搅拌摩擦焊，搅拌摩擦焊是一种全新的焊接方法，它的出现将彻底地改变铝合金的焊接难题。搅拌摩擦焊的焊接原理比较简单，其示意图如图1-2所示 图1-2 搅拌摩擦焊示意图 焊接过程中，伸入母材的特型焊针和紧压母材的轴肩快速旋转，与母材产生大量的摩擦热，使得轴肩下面和特型焊针周围形成大量的塑化层，工件和特型焊针相对移 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第12页 动时， 在焊针侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下，焊针的前表面把塑化的材料移送到焊针后面。这样，焊针沿着焊缝前进时，搅拌头的对面接头表面被摩擦加热、 加压至超塑性状态。结果，特型焊针摩擦焊缝，破碎氧化膜，搅拌和重组 [27~30]搅拌头后方的磨碎材料，搅拌头后方的材料冷却后就形成焊缝。 搅拌摩擦焊对于铝合金焊接的优点:a，焊接接头综合力学性能优异，搅拌摩擦焊属固相焊接，在焊接铝合金时不会产生与熔化有关的缺陷，如气孔、裂纹等。相反，由于焊接过程中的快速机械搅拌作用，焊缝晶粒比母材还要细小，并且没有明显热影响区，整个接头的综合机械性能几乎与母材完全相同。b，焊后无变形，残余应力小。搅拌摩擦焊的焊接温度较低，焊后结构的变形量和残余应力比熔化焊小得多。由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形过程，因此，焊后接头的内应力小，变形小，基本上可实现板件的低应力无变形焊接。c，适应范围广，由于搅拌摩擦焊消除了熔化焊所形成的裂纹，如液化裂纹、结晶裂纹，因此，可以很好地焊接热裂纹敏感材料，应用搅拌摩擦焊还可实现以前不能或是很难进行的异种材料的焊接。d，焊接成本低。搅拌摩擦焊设备虽然一次投入成本比较大，一旦开始生产，其成本便很低。 ?它不需焊丝，保护气等耗材;?由于摩擦搅拌焊仅仅是靠焊头旋转并移动, 逐步实现整条焊缝的焊接, 所以比熔化焊要节省能耗;?它对接头的表面要求比较低，焊前无须对工件进行严格的表面清理;?大型厂房内, 用它进行大工作量的焊接, 不需特别的通风、抽烟尘设备。?人力成本和试验成本都大大下降;?焊缝质量好, 返修极少。e，焊缝质量对人的依赖程度很低，搅拌摩擦焊所需的工艺参数只有搅拌头的转速、焊接速度、压紧力和搅拌头的材料和结构 4 项。上述4个参数控制较简单，选择适当后，就可以得到质量非常高的焊缝，因此大大降低了对技术员和操作者的依赖[11~18]。 1.6 本次论文的研究内容及意义 本课题主要是选择合理的参数对6mm的5052铝合金板MIG焊，然后对其焊接接头做一系列的工艺试验分析其焊接性能。工艺试验包括显微金相、硬度、拉伸、弯曲、冲击、残余应力。通过这些试验分析工艺参数对接头性能的影响，并与同型号铝合金 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第13页 的搅拌摩擦焊进行接头性能对比，对比两种方案的优缺点，找出影响接头性能的工艺参数，得出最优工艺参数。 5052铝合金广泛应用于制造飞机油箱，交通车辆及船舶钣金件。这些产品都对高性能有一定的要求，所以在确保质量之外，更优的性能就是更安全的保障。 飞行器部件要求重量轻，整体结构好，可靠性高，因此对飞行器结构件的结构和性能提出了越来越高的要求。近年来铝合金焊接结构件的应用日益广泛，其中一些重要结构件在使用中承受的外力多是重复循环的变载荷，应力通常远低于材料的屈服强度，但是频率较高，时间较长。在这种重复交变载荷下，容易使结构件在低应力下产生断裂。因此对铝合金焊接接头的综合性能进行深入的分析研究，提高其强度增强寿 [12]命是十分必要的 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第14页 第2章 试验材料及方法 2.1 试验材料 本试验采用厚度为6mm的防锈铝合金5052，5052为AL-Mn系合金，具有强度高，特别是抗疲劳强度，塑性与耐腐蚀性高，焊接性能良好等特点。5052铝板用途主要用于要求高的可塑性和良好的焊接性，在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如邮箱，汽油或润滑油导管，各种液体容器和其他用深拉制作的小负荷零件:线材用来做铆钉。也常用于交通车辆、船舶的钣金件，仪表、街灯支架与铆钉、五金制品、 [19]电器外壳等。其主要化学成分及力学性能如表2-1所示。 表2-1 5052铝合金化学成分及力学性能 抗拉断后伸Si(% ) Fe(% ) Cu(%Mn(% ) Mg(%Cr(% ) Zn(% Al(% ) 强度长率A ) ) ) Rm (% ) /MPa ?0.25 ?0.4 ?0.1 ?0.1 2.2-2.0.15-0.3?0.1 余量 240 10 8 5 本次试验采用的焊丝为含镁5,的合金焊丝ER5356，其化学成分如表2-2所示。焊丝形貌及规格如图2-1所示。 表2-2 ER5356焊丝化学成分(%) Mg Cr Fe+Si Cu Zn Mg Ti Al 5 0.10 0.3 0.05 0.05 0.15 0.1 余量 a ) b) 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第15页 图2-1 ER5356焊丝 2.2 MIG焊工艺试验 综合铝合金的各种焊接方法，本次试验选用MIG焊。试验所用材料5052铝合金的尺寸大小为300mm×150mm×6mm。在试件上加工V型坡口如图示，C= 0,1mm，本次试验采用单道焊接，接头形式都为对接接头，焊接所用的保护气体是Ar气。 图2-2 V型坡口示意图 2.2.1 焊前准备 对于铝合金MIG焊，焊前准备是否充分是关乎接头性能的一个重要环节，焊前准备如下: (1)焊前清理 母材及焊丝表面的氧化膜(主要成分AlO)，熔点高、非常稳定、能23 吸潮、不易去除，妨碍焊接过程的进行，在焊接接头内易生成气孔、夹杂、未熔合、 [1]未焊透等缺陷，须在焊接前进行严格的表面清理。首先用角磨机处理坡口及近缝区，去除氧化膜;再用酒精清洗坡口及近缝区，去除油污。清洗过的试件不宜长时间放置， [16]一般不超过1个小时。另外，在焊接前也要对焊枪进行清理，防止焊接时烧损焊枪。 (2)垫板 铝及铝合金在高温时强度很低，液态铝的流动性能好，在焊接时焊缝金属容易产生下塌现象。为了保证焊透而又不致塌陷，焊接时常采用垫板来托住熔池及附近金属。垫板可采用石墨板、不锈钢板、碳素钢板、铜板或铜棒等。垫板表面开一个圆弧形槽，以保证焊缝反面成型。也可以不加垫板单面焊双面成型，但要求焊接操作 [6~9]熟练或采取对电弧施焊能量严格自动反馈控制等先进工艺措施。 操作方法: 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第16页 a )电源、气瓶、送丝机、焊枪等连接方式应符合规定要求。 b)在工作平台上摆好工件，并用夹具夹紧。 c)调整焊接规范参数。 d) )按下焊枪上的控制开关，焊机自动提前送气，延时接通电源，保将高电压、慢送丝，当焊丝碰撞工件短路后自然引燃电弧。 [19]e))焊接结束前必须重视收弧。若收弧不当容易产生弧坑并出现裂纹，气孔等缺陷。 2.2.2 焊接设备及操作方法 本次MIG焊试验所采用的焊接设备如图2-3所示 a )PHOENIX 421焊接电源 b )送丝机构 c )焊接夹具 d )焊接小车 图2-3 MIG焊焊接设备 PHOENIX 421多功能逆变焊接电源可用于常规MIG/MAG焊、脉冲MIG/MAG焊、TIG接触引弧焊和MMA焊接。具有操作简单，功能强大，全数字化等优点。送丝机构采用自动送丝，且负责调解电流、电压。为了防止焊接过程中的变形，焊接时 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第17页 用c中的夹具夹紧铝合金板。焊接速度由小车自动控制。 2.2.3焊接速度的测定 焊接小车的给进速度由电机控制，可调控电机的电压值来控制焊接速度。测得的数值如表2-3所示。 表2-3 焊接速度与电压 电压(V) 25 28 30 32 35 40 小车位移30 30 30 40 30 30 (cm) 时间(s) 75.6 61.2 55.1 66.32 43.06 36.3 焊接速度23.8 29.4 32.7 36.2 41.8 49.6 (cm/min) 图2-4 电机电压与焊接速度的线性关系图 2.2.4 试验方案设计 熔化极氩弧焊已经广泛应用在各种金属结构中，主要是用于焊接铝合金、不锈钢和一些低合金钢和一些低合金钢等。为了获得良好的焊接质量和较高生产率，应对以下几方面加以考虑: (1)良好的气体保护效果; 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第18页 (2)良好的生产准备; (3)选择合理的熔滴过渡形式及工艺参数; (4)选择合理的焊接设备及工艺参数。 焊接铝及其合金，通常是采用直流反极性。焊接6mm的5052铝合金板时采用纯氦保护。熔化极氩弧(MIG)焊焊接铝及其合金可采用短路过渡、射流过渡、脉冲过渡和大电流MIG焊。 表2-4 试件焊接工艺参数 焊丝直对接间坡口角钝边焊接电焊接电送丝速度焊接速干伸气体流量 度长量径(mm) 隙(mm) 度(?) (mm) 压(A) 流(A) (m/min) (L/min) (m/mi(cm n) ) 1.6 0~1 60 180-230 5.9-7.7 1.3 0 21-26V 32.70 20-24 本次试验采用三组不同的线能量输入，对分别编号为1#板，2#板，3#板的5052铝合金进行MIG焊。再分别对其焊接接头做一系列的工艺试验寻找其中的不同，并和同型号母材的FSW进行对比。 线能量的计算公式为: Q=IU/V 式中:I—焊接电流 A U—电弧电压 V V—焊接速度 cm/s Q—线能量 J/cm 表2-5 三组板的线能量 U(V) I(A) Q(J,cm) 1#板 25.3 225 10445 2#板 23.5 220 9486 3#板 23.6 200 8660 焊接过程中电流电压是变化的，上表线能量以最大值计算 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第19页 焊接完成后根据国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 或实际情况制取试样，完成拉伸、弯曲、硬度、金相、微型剪切、冲击等一系列试验，对其进行数据分析。每一块板的取样位置如图2-5所示。 图2-5 取样位置图 1、2、3、4试样的尺寸为300mm×10mm×6mm,5,12尺寸为55mm×10mm×6mm，其中1和3拿来做弯曲试验，2和4做拉伸试验，5,12里拿6个做冲击试验，剩下两个分别做金相和微剪试验。 2.3 组织和性能试验方法 2.3.1显微组织分析 铝合金板焊接完以后，在焊缝中间且垂直于焊缝方向上取样，使切割面平整。采用80号到1500号砂纸依次手动磨光，在P-2型抛光机上进行抛光，抛光剂为悬浮状态的AlO溶液。在显微镜下观察无划痕时再腐蚀试样，腐蚀溶液为25%的HNO233水溶液。过程是先对25%的HNO3水溶液加热到70?并保持此温度，再把试样放入 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第20页 25%的HNO水溶液中，大约10分钟后取出试样水洗风干，采用光学显微镜对试样3 的焊接接头的显微组织形态进行观察。 图2-6光学显微镜 图2-7腐蚀试样工具 2.3.2 硬度试验 硬度是金属材料力学性能的重要指标之一。对于金属材料的硬度国内外还没有一个统一而明确的定义。一般来说“硬度”是指固体材料受到其它物体力的作用，在其受外力时所呈现的抵抗弹性变形，塑性变形和破裂的综合能力。硬度试验方法的特点是经检测后的制件不被破坏，留在试样表面上的痕迹很小，在大多数情况下对试样使用无影响，可看成是无损检验。由于强度与硬度之间的有一定的对应关系，就使硬度检测具有更广泛的实际意义。用硬度的变化可以粗略判断性能的变化。一般情况，硬度高的区域，其强度也高，但韧性、塑性下降。因此测定焊接接头各区域的硬度分布可以间接估计其强度、塑性及韧性。硬度的变化反映了显微组织的变化。显微硬度的检测方法有很多种，最常用的主要是布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、维氏硬度(HV)。本文使用显微维氏硬度检测法。维氏硬度检测法是用面角为136?的正四棱锥体金刚石压头，在一定的静检测力作用下压入试样的表面，保持规定时间后，卸除检测力，测量试样表面压痕对角线长度。并据此计算压痕凹印面积，维氏硬度是检 [26]测力除以压痕表面积所得的商。 按照GB/T4342-1991《金属显微维氏硬度标准》，在HV-10显微硬度计上，对5052铝合金MIG焊焊接接头进行显微硬度试验，载荷为5kg，加载时间为15s，母材焊点 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第21页 间距为2mm，焊缝及热影响区焊点间距为1mm。为了更明确硬度的变化，在截面上取两排读数。如图2-8所示。 图2-8 硬度打点示意图 图2-9 HV-10显微硬度计 2.3.3 拉伸试验 对5052铝合金MIG焊的焊接接头进行室温拉伸试验。拉伸试样应从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取，试样加工完后，焊缝位置应该在中线。由于材料和试验仪器的原因取样未按国家标准取样。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第22页 拉伸试样尺寸为(mm):300×10×6 拉伸试样示意图如图2-10所示 图2-10 拉伸试样示意图 图2-11 拉伸仪器图 2.3.4 弯曲试验 对5052铝合金MIG焊焊接接头进行弯曲试验。试验在WE-30液压式万能材料试验机上进行。试验分为正弯与背弯。试验温度室温。试样选取焊接接头横向位置以保证加工后焊缝的轴线在试样的中心。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第23页 2-12 WE-30液压式万能材料试验机 弯曲试样尺寸为(mm):300×10×6 弯曲试样如图2-13所示 图2-13 弯曲试样示意图 2.3.5 冲击试验 对5052铝合金MIG焊焊接接头进行冲击试验，冲击试样截取6mm ×10mm×55mm、开V型缺口。缺口分别开在焊缝中心和热影响区上的熔合线处如图2-14所示，冲击所用设备如图2-15所示，试验温度为室温。 a )焊缝中心缺口 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第24页 b )热影响区缺口 2-14 冲击缺口位置图 2-15 冲击试验机 2.3.6 微型剪切试验 试验原理:微型剪切试验设备由万能拉力试验机、稳压电源、y函数一记录仪、声发射传感器、拉压力传感器、动态应变仪、位移传感器、位移标定仪和微型剪切试验装置等组成，在剪切试验装置中，用逐点剪切的方法，并记录出剪切曲线，通过有关公式，计算确定各试验点的强度和塑性指标，将各点的试验值连接起来，便得到试 [19]件的性能分布曲线其试验原理见图2一16所示。 图2-16 采用发射技术的微型剪切试验原理图 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第25页 a ) b ) 图2-17 微型剪切试验仪器 为了评定被检验材料的机械性能，引用剪切强度τ、临界剪切强度τ作为强度b2.0指标;剪切截面压入率α作为塑性指标;剪切韧性ω作为韧性指标。应用这些数据s [20]与拉伸、弯曲、冲击、硬度相比较，和互相论证。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第26页 第3章 试验结果及其分析 3.1 焊缝宏观形貌及分析 采用三组不同的线能量焊接过后，其中1#板线能量最大，3#板最小。三组试件如图3-1所示。 a) 1#板正面焊缝 b) 1#板反面焊缝 c)2#板正面焊缝 d)2#板反面焊缝 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第27页 e) 3#板正面焊缝 f) 3#板反面焊缝 图3-1 三组试样板焊后形貌 从图中看到1#板正面焊缝呈鱼尾纹状，成型美观，收弧段余高较低，是由于太慢造成的。反面没有焊漏现象，但可以看出焊接过程中线能量输入很不稳定。2#板在起弧段有一段焊瘤，是由于当时操作不当的原因造成的，其它地方成型较美观。3#板鱼尾纹致密，正反两面外观成型美观。从三组试样外观上看到，3#板成型最为美观。 3.2焊接接头显微组织及其分析 图3-2为6082铝合金MIG焊接头的显微组织。其中a)、b)为焊缝区;c)、d)为熔合区组织;e)、f)为热影响区组织图;g)、h)为母材组织。 b)焊缝X400 a)焊缝X100 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第28页 d)熔合区X400 c)熔合区X100 e)热影响区X100 f)热影响区X400 g)母材X100 h)母材X400 图3-2 5052铝合金焊接接头微观组织 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第29页 由图可见，5052母材横截面微观组织为基体相及分布均匀且取向明显的颗粒相组成，晶粒细小。焊缝的晶粒粗大且分布不均匀，热影响区有的晶粒粗大，有的晶粒细小。从图c中明显可以看到焊缝与热影响区过渡的熔合区，左侧为焊缝，右侧为热影响区。由图中可清楚的看见两侧颜色深浅不一样，且焊缝的气孔也能看见。两边晶粒大小程度显而可见。且看出焊缝很多气孔，说明焊接过程对于气孔的防制措施不够，在工艺及焊接过程中应重点考虑怎样防止气孔的生成。 从Al-Mg二元相图(图3-3)中可以看出，5系铝合金的共晶温度是451?，由于Mg在Al中的溶解度比较大，并且随着温度的下降而有显著的降低。由于Mg含量在M点以左，所以不会发生共晶反应;α相的最大溶解度为14.9，100?降到最小1.9，随着温度降低，达到液相线时，液相中有α固溶体析出，温度的降低会导致α固溶体 α固溶体中达到饱和状态，多余的析出量增大，直到析出全部的固溶体，直到Mg在 的Mg以β相(MgAl)从α(Al)中弥散析出，最终室温组织为α(Al)+β(Mg Al)，2323由于焊丝的成分与母材的成分相近，所以最终组织基本相同，以α(Al)+β(Mg Al)23为主。其中β相(MgAl),呈面心立方晶格，母材的β相(MgAl)比较完整，并2323且晶粒细小。热影响区有的晶格被破坏，晶粒较母材粗大。焊缝晶粒排列比较混乱， [38~40]且十分粗大。 图3-3 Al-Mg二元相图 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第30页 3.3维氏硬度 根据HV-10硬度仪测试接头试样，硬度值见表3-1 表3-1硬度试验原始数据 1#板焊缝反2#板焊缝正2#板焊缝反3#板焊缝正3#板焊缝反 1#板焊缝正 面 面 面 面 面 面 1 89.9 90.6 86.4 86.5 89.3 87.4 2 88.0 89.2 84.9 84.5 89.0 85.5 3 86.0 87.7 84.9 87.9 87.0 86.5 4 88.8 88.3 86.3 83.1 88.7 81.5 5 86.8 84.5 85.5 83.2 88.6 82.8 6 85.4 83.0 82.2 83.2 89.5 79.8 7 79.5 79.3 81.9 82.4 82.1 80.1 8 81.1 80.7 80.0 78.3 81.2 74.1 9 71.3 68.8 68.9 68.9 74.7 68.2 10 67.4 60.0 60.9 54.8 74.6 61.5 11 58.7 55.6 57.7 61.7 71.9 62.1 12 57.1 57.6 57.1 60.1 74.5 60.4 13 56.6 55.8 57.5 58.5 76.2 63.1 14 63.5 56.3 56.0 57.9 73.1 62.6 15 66.0 57.8 56.2 59.8 67.3 62.4 16 66.3 55.9 64.5 61.3 69.4 60.9 17 64.8 66.4 66.6 57.2 67.3 64.8 18 66.1 67.1 60.3 61.9 67.8 66.6 19 66.2 64.1 62.3 62.8 66.5 67.2 20 66.9 70.1 62.8 66.2 66.2 67.9 21 66.8 71.4 66.6 67.5 64.4 66.8 22 64.1 67.0 64.1 66.3 66.9 65.1 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第31页 续上表3-1 23 61.0 64.1 63.9 67.3 68.7 63.4 24 68.2 62.3 64.6 66.5 69.4 60.6 25 58.0 71.0 64.1 64.6 67.3 60.4 26 60.8 68.5 57.4 58.2 55.5 62.6 27 60.2 64.8 57.4 59.5 63.7 61.7 28 60.5 64.0 56.6 59.1 64.7 63.1 29 64.6 62.6 57.2 60.6 65.3 69.3 30 71.7 66.4 58.6 59.2 61.6 70.5 31 76.4 65.6 67.7 61.8 61.8 72.4 32 78.4 66.8 76.8 68.7 63.2 75.9 33 81.3 79.5 82.8 73.3 69.6 75.8 34 85.3 86.1 84.7 76.6 82.0 77.8 35 83.6 87.1 85.5 79.7 83.3 79.8 36 85.6 87.9 82.4 81.3 85.6 78.9 37 84.3 89.5 86.5 82.2 81.6 82.9 38 83.6 90.0 84.6 83.5 83.9 81.9 39 86.3 89.0 85.4 85.0 82.7 85.6 40 89.2 89.4 86.7 86.9 87.3 88.2 三组硬度的分布图如3-4所示 a)1#板硬度曲线 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第32页 b)2#板硬度曲线 c)3#板硬度曲线 图3-4 5052铝合金接头硬度分布 由上图a可以看出1#板焊缝大约宽12mm，硬度范围在60~70之间。热影响区的宽度大约为8mm，硬度范围在55~85之间。母材硬度曲线较为平均，在88左右。上下两排硬度变化不大，但正面硬度比反面硬度略大。由图b知2#板焊缝宽大约为13mm，硬度范围在58~70之间，有少数位置HV只有40左右，是因为打硬度点时刚好打在气孔上。热影响区的宽度大约为8mm，硬度范围在60~82之间。母材的硬度在80左右。且气孔主要靠近焊缝背面那一端，在热影响区的时候，焊缝正面的硬度略高于焊缝背面的硬度。由图c知3#板焊缝大约宽10mm，硬度范围在60~70之间。热影响区的宽度大约为10mm，硬度范围在60~80之间。母材硬度大约在85左右。焊缝正反两面硬度变化趋势不定，但正面硬度大于反面的时候居多。 综上3图曲线的变化可知，从母材到焊缝，由于焊接热的原因，硬度逐渐降低， 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第33页 邻近焊缝的时候，有一段硬度特别低的区域，硬度甚至低于焊缝，这一段叫焊接软化区。1#板得软化区大约宽3mm，2#板大约宽4mm，3#板大约宽5mm。母材的硬度值大体恒定。3#板热影响区的硬度与焊缝的硬度相差不是很大，与其焊接时线能量输入较低得到相互印证。 3.4拉伸试验及断口分析 拉伸试验数据如表3-2 表3-2 拉伸试验处理数据 试样1-1 试样1-2 试样2-1 试样2-2 试样3-1 试样3-2 长(mm) 10.30 10.59 10.40 10.30 10.26 10.50 宽(mm) 6.08 6.12 5.95 6.03 6.01 6.10 最大载荷12.6634 12.831 12.5377 12.3508 12.33 12.976 (kN) 抗拉强度202 198 203 199 200 203 (MP) 断裂位置 HAZ HAZ HAZ HAZ HAZ HAZ 其中抗拉强度计算公式为 σ=Fb/S(Mpa) b 其中σ为抗拉强度(Mp) b Fb为试样拉断前承受的最大拉力(kN) 2S为试样的初始截面积(mm) 5052铝合金母材的抗拉强度为240Mp，从表中可知各组抗拉强度均大于等于母材抗拉强度的82.5%，即说明5052铝合金MIG焊焊接接头强度合格。 表3-2为5052焊接接头拉伸力学性能试验数据表。5052拉伸试验断裂的位置为热影响区，说明焊接接头热影响区的强度最差。5052铝合金焊接接头的力学性能低于其基材的性能。焊接接头的力学性能最薄弱处在热影响区的软化区。在5052铝合金焊接过程中，由于焊接热的作用，其力学性能发生了很大的变化。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第34页 5052接头的宏观断口如图3-5所示，拉伸断口均位于热影响区，断裂位置对应微观组织中晶粒粗大区以及硬度试验中远离焊缝中心8mm左右的软化区。断口有明显的缩颈现象，宏观上有明显的塑性变形，断口表面呈纤维状并且粗糙不平，表面灰暗无金属光泽，因此判定焊接接头的断裂类型为韧性断裂。 图3-5 拉伸试验宏观断口 3.5弯曲试验结果及分析 各个试样弯曲过后的形状如图3-6 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第35页 a)试样1-1 b)试样1-2 c )试样2-1 d)试样2-2 e)试样3-1 f)试样3-2 图3-6 三组试样弯曲图样 弯曲试验数据及结果见表3-3 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第36页 表3-3 弯曲实验结论 结果 试件编号 规格(mm) 弯曲直径(mm) 面弯 背弯 1-1 150×10×6 32 180º 180º 合格 1-2 150×10×6 32 180º 180º 合格 2-1 150×10×6 32 180º 180º 合格 2-2 150×10×6 32 180º 180º 合格 3-1 150×10×6 32 180º 180º 合格 3-2 150×10×6 32 180º 180º 合格 由以上弯曲试验数据分析得出在这三组工艺下，5052铝合金MIG焊焊接接头弯曲性能合格。 3.6 冲击试验结果及分析 冲击试验结果如表3-4所示 表3-4冲击试验数据 试件编号 位置 冲击功Ak(J) 冲击功Ak(J) 冲击功Ak(J) Ak平均值(J) 母材 45 41 41 42.3 1# 焊缝中心 23 23 26 24 热影响区 38 18 24 26.6 母材 38 42 41 40.3 2# 焊缝中心 26 28 27 27 热影响区 24 33 29 29.3 母材 42 41 43 42 3# 焊缝中心 24 17 15 18.6 热影响区 44 45 44 44.3 一般来说，冲击功与材料的塑性有关，塑性好，冲击功就大。从表中可知母材的 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第37页 冲击功比较恒定，其值在41~45之间。焊缝中心冲击功最低，热影响区其次。 3.7 微型剪切数据及分析 本次试验试样实际尺寸为1.3×1.18mm，微型剪切数据如表3-5所示 表3-5 微型剪切数据表 剪切位置 剪切长度(mm) 最大重量(Kg) 抗剪强度压入率(,) (Mpa) WM 2.4 18.8 120.1 44.5 ? 2 19.3 123.3 46.7 ? 1 19.4 124.0 35.7 ? 1 17.6 112.5 41.7 ? 1 17.4 111.2 40.1 ? 1 17.2 110.0 30.8 ? 1 17.5 112.0 32.4 ? 1 17.4 111.2 26.9 ? 2 17.8 113.8 28.6 ? 2 18.0 115.1 23.1 ? 2 18.5 118.3 22.5 ? 2 19.0 121.5 18.7 ? 2 19.1 122.1 28.7 ? 2 19.4 124.0 24.7 ? 2 19.7 126.0 24.2 BM 2 19.9 127.3 21.4 图3-7 抗剪强度变化曲线 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第38页 图3-8 压入率的变化曲线 综合表3-5和图3-7可以发现在热影响区位置附近抗剪强度最低，焊缝其次，母材最高，这与硬度试验结果相吻合，热影响区存在一个软化区。 从上表和图3-8可以看到随着焊缝到母材距离的缩短，压入率逐渐减小，其变化趋势正和硬度变化趋势相似，这两组试验得到相互印证。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第39页 第4章 对比分析及综合分析 4.1 MIG焊工艺试验综合分析 本次试验从硬度和拉伸实验数据可以发现，接头强度低于原始母材，试样断裂均在热影响区，说明焊接热的作用对铝合金的应能发生了改变，热影响区发生了软化，因此对于5052铝合金MIG焊，热影响区是焊接接头最薄弱的部位，在需要保证设计强度的部位时需引起重视。 此次试验产生最多的缺陷是气孔，从第三章金相中可以看到。气孔主要是由氢引起的，来源于电弧氛围中的空气，铝板和焊丝吸附的水分，保护气体中的水等。目前很难避免产生气孔，只有尽量减少气孔的生成。建议措施如下: (1)焊前对铝合金母材进行打磨，打磨掉焊接部位的AlO，应为AlO易吸收水 2323 分，打磨完后用酒精或丙酮清理。在一个小时以内进行焊接。 (2)由于铝合金导热快，熔池存在时间较短，不利于氢的逸出。所以增大熔池存在 时间利于气泡的逸出，在合适的工艺参数前提下，可以提高线能量。 (3)对于厚板或室温较低时可进行焊接预热。 (4)控制室内风的流动，例如不开风扇，避免人员的走动造成空气的流动等措施。 至今为止，对于铝合金气孔的预防，还没有找到根本的方法，我们只有注意每 [6]一个细节，最大限度的减少气孔的生成，获得更好的焊接质量。 焊接电流对焊缝成形的影响: 试验中发现，当其它参数不变，焊接电流增加到一定值以上，焊接熔池时常会有翻腾和剧烈搅拌的现象发生，并且焊缝表面表现为起皱，但是焊缝内部缺陷较少。这是因为当焊接电流超过一定的临界值时，阴极斑点就不能扩张，被限制在凹坑内，焊缝失去了阴极清理作用(见图 4-1) 。同时，较大并且很集中的电弧力(等离子流力和斑点压力) 直接作用在熔池底部，使液态铝冲向后方。由于剧烈的扰动，破坏了气体保护。氧的混入，将使阴极斑点稳定在凹坑内，其后连续发生这一现象，使金属与氧化物混杂在一起，这就形成了起皱缺陷。而当我们把电流减小到一定值以下后， [23]上述现象就消失了。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第40页 图4-1 大电流熔池状态 电弧电压对外观尺寸、焊接飞溅的影响: 电弧电压与弧长可由如下公式表示: U=U+kL 0 式中:U——电弧电压;U——在一定条件下为定值;k——比例常数;L——电0 [32~35]弧长度。 上式说明，电弧电压和弧长是一个简单的线性函数关系，即在一定的电流和电极材料条件下，电弧电压变化时，弧长也随着改变，基本成正比关系。当弧长长时，电弧飘散无力，熔池就会很大，并且不容易成形;当电弧电压较低时，弧长较短，这时不但有利于熔滴过渡，同时电弧比较集中，熔池也小，有利于熔池的保持。试验中发现电弧电压是一个非常敏感的规范参数。电压略低，将会发生短路现象，飞溅大大增加;而略高时，又会破坏焊缝成形。同时，在其它规范参数不变时，电弧电压增大，焊缝熔宽显著增加而熔深和余高将略有减小，这是因为电弧电压的增加就意味着电弧长度的增加，使电弧斑点飘动范围扩大而导致熔宽增加。从能量角度分析，电弧电压增加所带来的电弧功率提高主要用于熔宽的增加和弧柱的热量散失，电弧对熔池的作 [22]用力因熔宽增加而分散了，所以熔深和余高略有减小。 由此可见，电弧焊接时电流是决定熔深的主要因素，而电压则是影响熔宽的主要因素，电弧过程的稳定性，取决于焊接电流及电弧电压这两个参数的匹配。一定的电流要有足够的弧长，也就是要有一定的电弧电压， 才能稳定电弧， 保证稳定的熔滴过渡过程。试验得出，当焊接电流为 180,230A 时，电弧电压在21~26V的范围。 焊接速度对焊缝形状的影响: 焊接速度对焊缝成形有明显影响。焊接速度较小时，熔深随焊接速度增加则略有增加，熔宽减小。当焊接速度达到一定数值以后，熔深和熔宽都随焊接速度增大而 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第41页 明显减小。这是因为:焊接速度较小时，电弧力的作用方向几乎是垂直向下的，随着焊接速度增大，弧柱后倾有利于熔池液体金属在电弧力作用下向尾部流动， 使熔池底部暴露， 因而有利于熔深的增加。其次，焊接速度增加时，从焊缝的热输入和热传导角度看，焊缝的熔深和熔宽都要减小的。这两方面因素综合的结果，低焊接速度时前者起主导作用，熔深随焊接速度增加而略有增加。当焊接速度超过一定值时，后者起主导作用，熔深随焊接速度增加而减小。熔宽及余高则总是随着焊接速度增大而减小。从焊接生产率角度考虑，焊接速度愈快愈好。当焊接熔深要求确定时，为提高焊接速度，就得进一步提高焊接电流和电弧电压，即意味着电弧功率提高。因此，焊 [34~36]接电流和焊接速度的选取需要考虑综合经济效果。 4.2与搅拌摩擦焊接头性能的对比 选取本次试验最优组(第三组)与搅拌摩擦焊的最优组(第四组)进行对比分析。 4.2.1拉伸试验数据对比 拉伸试验数据对比如表4-1所示。 表4-1 抗拉强度对比表 搅拌摩擦焊焊缝抗拉强MIG焊焊缝抗拉强度 度(MPa) (MPa) 167.2 200 154.4 203 从以上数据可以明显的观察到搅拌摩擦焊焊缝的抗拉强度比MIG焊缝要低。 4.2.2冲击试验数据对比 冲击试验数据对比如表4-2所示。 表4-2 冲击试验数据对比表 规格(mm) FSW(J) MIG(J) 热影响区 焊缝中心 热影响区 焊缝中心 55×10×6 11 37 24 44 55×10×6 12.5 36 26 24 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第42页 从表5-2中的数据对比可以观察到搅拌摩擦焊焊缝中心的冲击功相对MIG焊要稳定，保持在与母材相当的数值内，而MIG焊热影响区的冲击功比搅拌摩擦焊要高，说明MIG焊热影响区的塑性比搅拌摩擦焊好。 4.2.3弯曲试验数据对比 弯曲试验数据对比如表4-3所示。 表4-3 弯曲试验数据对比表 规格(mm) 弯曲直径FSW MIG (mm) 面弯 背弯 面弯 背弯 150×10×6 40 不合格 合格 合格 合格 150×10×6 40 不合格 合格 合格 合格 从表5-3中的数据可以观察到MIG焊的焊接接头弯曲性能比搅拌摩擦焊要高，说明MIG焊焊接接头的塑性相对搅拌摩擦焊要好。 4.2.4硬度试验数据对比 硬度对比曲线如图4-2所示。 图4-2 硬度曲线对比 从图4-2中的硬度曲线可以看出，MIG焊和FSW都会产生一段硬度低于母材和焊缝的区域。热影响区硬度略大于热机影响区，且MIG焊硬度变化更平稳，可能由 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第43页 于采集试验数据时的错误，曲线左侧两者硬度相差很大。 4.2.5 金相对比 5052FSW金相组织如图4-3所示 a)母材×400 b) 母材×100 c)热机影响区×400 d) 热机影响区×100 e)焊核×400 f) 焊核×100 图4-3 5052FSW焊接头微观组织图 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第44页 经过与MIG焊金相组织的对比可以发现，搅拌摩擦焊的优点在于获得的焊缝晶粒组织比MIG焊要细小，而且不会出现MIG焊中常出现的气孔等缺陷。 4.2.6 综合分析 综合以上分析，MIG焊焊接接头的抗拉强度、塑性比搅拌摩擦焊要高，可能是由于搅拌摩擦焊焊接工艺参数没有调整好，导致了搅拌不均匀、不充分的问题，使得焊接接头中存在未焊透或隧道孔的缺陷。但通过金相显微分析可以看出，搅拌摩擦焊焊接接头的晶粒组织比MIG焊要细小，不会出现气孔等缺陷。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第45页 结 论 由大量的工艺试验得出如下结论: (1)本次试验第三组成型最为美观，接头拉伸强度最大，第二组冲击结果最好。 (2)5052铝合金MIG焊接头焊缝组织主要由α(Al)+β(Mg2 Al3构成，且焊缝区域晶粒粗大，排列混乱。接头抗拉强度大于母材的82.5%。焊缝硬度值在60,70HV之间，HAZ有软化区。焊接头弯曲试验正弯、背弯角度均达到180?。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第46页 致谢 本次毕业设计由于得到了刘拥军老师的悉心指导，最终使论文能够顺利完成，感谢刘老师为同学的付出。 感谢张腾、陈舟、田博师兄的支持与鼓励，谢谢与我一起做毕业设计的胡楠，钟剑文，秦超，韩笑等同学。同时感谢焊接实验室的王老师，车小莉老师，他们为这次毕业设计提供了很多方便， 而且非常耐心的解答同学们的问题。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第47页 参考文献 [1] 严伯昌.谈车用有色金属新材料及其应用[J].铝加工，2009. 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