CMT焊焊接5083-H111和6082-T651铝合金的力学和显微组织特性外文翻译资料

CMT焊焊接5083-H111和6082-T651铝合金的力学和显微组织特性

5083-H111和6082-T651铝合金，特别适用于造船工业中，特别是为了达到它们的高耐腐蚀性和中等强度，使用CMT-MIG技术焊接。使用厚度为6mm的板，将接头制造为相同和不同的合金焊缝。在进行进一步的破坏性测试之前先进行非破坏性测试，例如视觉和放射性检查。拉伸，弯曲和疲劳试验应用焊接接头提取的试样。通过光学显微镜（LOM）和扫描电子显微镜（SEM）检查疲劳样品的断裂表面。还研究了焊接区的宏观和微观结构，并获得了微观硬度分布。根据结果，CMT-MIG提供良好的接头效率与高焊接速度，良好的拉伸和疲劳性能。

1. 说明

5083铝镁合金是应变可硬化合金，具有优良的耐腐蚀性，韧性，焊接性和中等强度。6082铝镁硅合金是可热处理型，具有高耐腐蚀性，优异的挤出性和适中的强度。特别是具有高耐腐蚀性和中等强度的这些铝合金广泛应用于船舶工业。单或多船体高速渡轮采用几种铝合金，如5083，5383和5454作为薄板和板的全焊接结构。

由于与焊接工艺相关的问题，例如焊接和热影响区（HAZ）中的氧化物去除和降低的强度，铝焊接曾被认为是有限的。已经开发了新的铝焊接技术，尽管MIG和钨惰性气体焊接（TIG）发明于20世纪40年代，并且在许多工业中使用，但是仍然存在一些融合问题，在50％保护气体以下降低融合效率。为了提高焊接性能，搅拌摩擦焊接（FSW）是一种固态焊接和一个里程碑式的铝焊接方法，是由TWI于1991年发明的，激光束-气体金属弧（GMA）-混合焊接是工业大规模制造历史上应用的第一种混合焊接方法，2000年在德国发明，并且最终在2004年发明了装备有冷金属过渡（CMT）技术的常规金属惰性气体焊接工艺，并且可能是铝焊接中的里程碑。CMT是关于焊接应用和焊接设备的全新技术。CMT不仅是一种全新的技术，而且还增强了MIG的应用范围，使得钢材首次以可重复的方式进行电弧焊接。CMT可以被描述为气体金属电弧焊接（GMAW）工艺，其中与常规的浸入电弧工艺相比，热输入低。CMT工艺是一种浸渍电弧工艺，全新的熔滴从焊丝脱离方法。在常规的浸渍电弧工艺中，焊丝向前移动直到发生短路。在那一刻，焊接电流增加，导致短路重新打开，允许电弧再次点燃。金属惰性气体/金属活性气体（MIG / MAG）工艺有两个主要特征：一方面，高短路电流对应于高热输入。另一方面，短路以相当不受控制的方式打开，导致在常规的浸入电弧工艺中的大量溅射。在CMT工艺中，导线不仅被推向工件，而且从工件拉回 - 振荡送丝使用平均振荡频率高达70Hz。在CMT中，术语“冷”必须根据焊接过程来理解，但是当针对常规MIG / MAG工艺设置时，CMT仍然是在热和冷相之间不断交替的冷工艺。在电弧期间，填充金属朝向焊池移动（图1a，热相）。 当填充金属浸入焊池时，电弧熄灭，焊接电流降低（图1b，冷相）。 焊丝的向后运动有助于在短路期间熔滴脱离，并且短路电流保持较小（图1c，冷相）。 最后，线运动反向，过程再次开始（图1d，热阶段）。

图1 CMT过程的（a-d）阶段

由于CMT是相对较近的技术，对于铝合金的CMT焊接几乎没有研究。所有研究都对铝和镁合金薄板的焊接比较感兴趣。在一些研究中，由Feng等人成功制造了1-3mm的Al-Mg不相似接头的薄板。成功的无飞溅和低热输入焊接纯铝，促进间隙桥接能力。Packin和Young[15]已成功焊接3mm厚的6111铝合金，并建立了CMT焊接工艺，对于铝部件的自动化焊接具有极高的影响力。因此，本研究旨在调查6mm厚的5083-H111和6082-T651铝合金的微观结构和机械行为类似（分别称为M55，M66的焊接接头分别为5083至5083和6082至6082的焊接接头）和不相似的（M56 参考焊接5083到6082合金）接头。

图2焊接区横截面的图像。

图3（a）M55，（b）M56和（c）M66疲劳试样的断裂面的宏观和SEM照片。

图4. CMT脉冲焊接接头（a）M55，（b）M56和（c）M66的显微硬度剖面。

图5.基础金属与焊接接头的平均拉伸性能的比较。

2.材料和实验过程

在本研究中，使用5083-H111和6082-T651铝合金作为贱金属。通过辉光放电发射光谱（GDOES）获得的化学成分数据和通过拉伸试验获得的机械性能在表1中给出。

表格1

贱金属的化学成分和机械性能。

将铝合金板切成150times;330times;6mm³尺寸，板与水平面呈30°并且采用60°V形槽对接接头几何形状的槽角。使用1.2mm直径的ER5183作为填充金属。机器人CMT-MIG焊接焊接参数如下，焊接电流194plusmn;5A，焊接电压19.5plusmn;1V，焊接速度0.4m/min和焊丝进给速率11plusmn;0.2 m/min。

进行视觉和放射检查以便检测焊接后可能的表面和内部误差。在进一步破坏性试验之前，根据TS EN ISO 17637获得测试样品用于目视检查。根据测试计划，从经过视觉和放射性检查的焊接板提取适用于TS EN ISO 15614-2的测试样品。根据TS EN ISO 4136：2012制备拉伸测试样品，根据TS EN ISO 5173和DIN EN 50142制备疲劳试验样品。为了确定这些接头的显微组织特性，将试样垂直于焊接界面剖开。这些接头的横截面被研磨，抛光并用科勒试剂腐蚀。在显微结构检查之后，这些样品用于在200g载荷下的详细显微硬度（HV0.2）评估。 为了进一步检查显微组织，用扫描电子显微镜（SEM）分析疲劳试样的断裂面。

图6贱金属和焊接接头的疲劳试验结果。

3.结果与讨论

由LOM研究通过CMT脉冲焊接加入的铝合金的微观结构行为。焊接区横截面的图像在图1中概述。在机器人CMT焊接接头M55中，基体金属将具有由镁在铝中的固溶体的基体构成的细粒结构。尽管预期会形成Mg₂Al₃，它可以在HAZ中开始聚集和粗化，其中温度进一步升至约250℃，在远HAZ中没有聚结或粗化。然而，通过在接近熔合线的HAZ中的静态重结晶的方法制备了细晶粒微观结构[1,3]。在机器人CMT焊接接头M66中，晶界的部分熔融导致在熔合线中的焊接金属的聚结和粗化，因为固溶处理导致焊接后的老化[3]。在机器人CMT焊接接头M56中，晶粒结构显示与M55和M66相同的结果，取决于它们的基底金属侧。

为了进一步的微观结构分析，通过SEM检查疲劳试样的断裂面（图3a-c）。 断裂表面的孔隙度很小[19,20]。用拉伸试验结果评价，这些孔隙率对接头强度没有显着的负面影响。根据ISO 10042：2005（E）标准，M56和M66的M55，3％和“C”质量的孔隙度水平为2％和“B”质量。

显微硬度测量在200g负荷下完成（图4）。 虽然结果类似于穿过焊件的特征硬度[1]，但硬度下降稍微接近基体金属。虽然在以前的研究中硬度下降约为22-35％[21,26,28]，但在本研究中硬度下降最大为18％。 5083类似合金焊接接头（M55）的显微硬度值在77和92HV_0.2之间测量和硬度具有最小硬度值的液滴正好在预期的焊接区。6082相似合金焊接接头（M66）显微硬度数据测量在79和96 HV_0.2之间，焊接区的硬度增加测量约96 HV_0.2，而硬度下降在HAZ测量79 HV_0.2。6082贱金属硬度测量约82 HV_0.2。5083和6082不同合金焊接接头（M56）显微硬度数据在76和96 HV_0.2之间测量。M56接头的HAZ类似于图6中所示的相同材料的M66和M55的HAZ。不同的是，M56的焊接区显示稍高的硬度值。6082的接近HAZ的显微硬度上升是因为部分固溶处理区域，其中一些沉淀物被吸收到溶液中，使得能够发生一些焊后硬化，但是未溶解的那些变粗。在M56和M66的远HAZ中，沉淀硬化的微硬度下降6082是发生沉淀粗化的过老化区的结果[3]。

基材和交叉焊接的拉伸性能如图1所示。图中每个样品的三个测量的平均产量和拉伸强度对于M55为244和272.3N /mm²，对于M56为216和230N /mm²以及对于M66 为216.3和22.3N /mm²。所有焊接接头的拉伸试验结果均高于标准EN 1999-1-1：2007（E）的焊接金属数据的特征强度值，并且高于文献[16-24,29-35 ]。根据贱金属5083和6082的平均最大强度，焊接接头性能：M55为83％，M66为67％，M56为70％。M55拉伸试样的断裂发生在焊缝金属。这是由于重结晶过程占冷加工铝合金焊件的大部分强度损失[1]。与M55接头相反，M56和M66拉伸试样在6082基底金属侧的HAZ处断裂。在6082合金的焊接时，HAZ显微硬度下降发生在过度老化区，其中发生了沉淀粗化。这些过老化区是焊接的6082 HAZ [1,3]中最薄弱的部分。 所有焊接接头的屈服应力结果令人惊讶地高于先前对所有焊接类型的研究[19-21,25-28]。

接头的疲劳试验结果如图6所示。根据疲劳试验结果，CMT脉冲焊接5083（M55）接头展示更好的疲劳数据相比其他焊接接头类型，平行于拉伸应力数据和气孔率水平。 除了具有严格的疲劳极限，M66显示比M56更好的疲劳极限。疲劳试验在屈服应力下进行。得出的结论是，接头的气孔率水平对疲劳极限有显着影响，因为是重要的裂纹起始点。

4．结论

在本研究中，用CMT脉冲焊接技术成功焊接6 mm厚的相同和不同的接头的5083和6082铝合金。与脉冲MIG工艺相比，CMT具有高焊丝熔化系数的低热输入提供了高焊接速度（400 mm min^-1），焊接板上的变形可以忽略不计。虽然所有焊接接头的显微硬度结果类似于穿过焊件的特征硬度，但硬度下降稍微接近基体金属。

焊接接头和贱金属的拉伸试验产生了足够的抗拉强度值。虽然常规GMA焊接方法与气体钨电弧焊接（GTAW）或FSW相比显示较低的机械测试结果，但由于机器人应用该方法，CMT脉冲显示接近FSW的结果，意味着比文献中先前报道的任何其它焊接方法更高的焊接速度和非常低的热输入以及惊人的更高的屈服强度值。

5083相似焊接接头（M55）显示最佳疲劳性能，然后分别为6082相似焊接接头（M66）和5083＆6082不相似焊接接头（M56）。 这些结果与相关接头的孔隙率和屈服应力值平行。

致谢

作者感谢以下工业公司的技术支持：Fronius TR，Assan Aluminium，End Denetim。

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[REF: 44A004].

[10] http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-07987558-10776492/

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