焊接速度对铝合金表面堆焊巴氏合金组织和性能的影响

焊接速度对铝合金表面堆焊巴氏合金组织和性能的影响

崔磊

中车四方股份公司海外部 211 山东青岛 266000

摘要：巴氏合金作为传统的轴瓦材料，其具有良好的顺应性、耐蚀性和耐磨性。但是，由于巴氏合金质地相对较软，需要与强度较高的基材进行复合，才能够作为轴承衬套使用在工业制造中。传统的巴氏合金轴瓦制备方式多为离心浇铸，此类巴氏合金轴瓦偏析严重，组织粗大，结合强度低且极易发生脱落。各种缺陷如气孔、疏松等也经常出现在离心浇铸的巴氏合金轴瓦产品中。铝合金材料由于其自身质量小，且耐蚀性能优良，在加工时成形性能好，同时某些铝合金的导电导热性也比较好，因此被广泛应用在航空航天以及各类动力交通领域中。文中选用铝合金材料为基材，利用MIG焊工艺，在铝合金表面堆焊巴氏合金层，系统地研究在其他焊接工艺参数（如焊接电流、电弧电压等）不变的情况下，焊接速度对结合界面的显微组织、力学性能等问题的影响。

关键词：铝合金；巴氏合金；堆焊；焊接速度

引言

轻量化与环保是汽车材料技术发展的主要方向，采用低密度材料制造汽车零部件是减轻汽车重量和节约能源的有效途径。铝合金密度低、比强度高、导热性好、耐腐蚀且易于成形，是仅次于钢铁的第二大汽车用材料，目前，铝合金在汽车上的应用正由铸造零部件(如活塞、变速器壳体和轮毅等)朝着梁、柱受力件以及强度要求较高的前端翼子板、发动机支架与全铝车身骨架等车身零部件和结构件发展。铝合金化学性质活泼，表面易生成难熔氧化物，热导系数及线膨胀系数大，在焊接过程存在热裂纹、气孔、合金元素烧损、难熔合、热影响区软化、接头强度及耐蚀性降低等一系列困难，对焊接技术要求较高，很大程度上制约了铝合金在汽车中的广泛应用。尤其是经热处理强化的高强铝合金，由于合金元素含量丰富，热处理工艺控制严格，合金性能对熔化焊接过程中温度及成分的变化非常敏感，焊后母材原有的平衡组织及加工历史易遭到破坏，导致接头性能降低。为了提高汽车铝化率，必需开发和应用新的铝合金焊接技术。

1铝合金的焊接特点

(1)铝合金表面有一层致密的氧化铝薄膜(熔点约20500C，焊接时，如不能及时将其清除，则会影响基体金属的熔化质量，产生夹杂等问题，氧化膜还容易吸附水分，焊接时，易出现大量气孔;(2)铝合金比热容大、热导率高(约为钢的四倍)、导电性好，焊接时热输入将迅速向母材流失，因此，熔焊时需采用高度热集中或大功率的热源;(3)铝合金的线膨胀系数大，弹性模数小，焊接产生的热应力、变形及裂纹的倾向大;(4)铝合金对光、热的反射能力较强，对激光的吸收率低;(5)铝合金焊接接头的强度低，接头软化严重，出现不等强效应;(6)铝合金表面张力小，熔融状态下液体勃度低，在熔透焊情况下，焊缝塌陷严重。针对铝合金的上述焊接特点，与传统的电弧焊接相比，激光焊具有如下优点:能量密度高，热输入量小，焊接变形小，能得到窄的熔化区和热影响区以及熔深大的焊缝。冷却速度快，焊缝组织微细，焊接接头性能良好。焊接速度快、适应性强、可靠性高，且不需要真空装置.但采用单独激光焊接铝合金，存在如下问题:1)铝合金对激光有极高的表面初始反射率，造成激光在母材未熔化时吸收很差，效率很低;2)激光焊接焊缝冷却快，熔池存在时间很短，气体不易析出，易产生气孔;3)由于熔池深而窄，脉冲激光突发功率大，强大的蒸气通过很窄的液体产生很大的飞溅;4)焊缝太窄使跟踪、对中很困难，对接头准备、焊接位置及焊接厚度等要求较严格;5)焊缝金属结晶时，容易产生低熔点共晶，从而形成结晶裂纹;6)激光焊接可以烧损铝合金中的Mg,Zn等低熔点合金元素，破坏合金强化作用，严重降低接头强度。

2焊接速度对铝合金表面堆焊巴氏合金组织和性能

2.1显微组织分析

将试样经线切割加工成边长为10mm的正方体，用砂纸将表面打磨光亮，去除线切割的表面改质层。然后，表面经由100＃，200＃，400＃，600＃，1000＃，1200＃，2000＃的耐水砂纸打磨，再经由去离子水、丙酮以及超声波清洗吹干净。经φ（HNO3）4％酒精腐蚀1min后，利用VHX2000C型的光学显微镜对试样金相组织进行观察。仅改变焊接速度，按焊接工艺参数以MIG焊工艺制备的铝合金－巴氏合金的试样金相显微组织。巴氏合金侧组织均匀弥散，长条树枝状硬质相Cu6Sn5与方形块状硬质相SnSb均匀弥散地分布于其中，结合部位犬牙交错，呈锯齿形。结合界面附近相析出均匀，硬质相Cu6Sn5与SnSb组织细小，分布均匀，扩散层较厚，结合紧密。界面结合情况良好，硬质相的形态有了较大的变化，方形的SnSb与长条树枝状硬质相Cu6Sn5其中夹杂一些类似雪花状的相。界面结合平整，元素扩散程度不高，界面连接处平滑。由以上观察结果可看出，在其他条件一定时，焊接速度越快，冷却速度越快，过冷度增大。

2.2接头微观组织

铝合金激光焊接头的微观组织形态受到合金原始成分及焊接过程冷却条件的综合影响，微观组织的改变不仅会影响焊后接头力学性能，还会对接头缺陷敏感性产生影响。WuN.Q.使用3kW的Nd:YAG激光焊接6061铝合金得到的接头包括焊缝区、热影响区及母材，焊缝区组织受液相金属热流梯度(GL)与凝固生长速率(R)之比(GL/R)控制，从焊缝中心至半熔化区，GL/R之值从最小值变化至最大值，焊缝组织从胞状晶转变为柱状晶。在对过共晶铝合金激光焊的研究中发现，合金的热导系数对成分变化非常敏感，随着Si及其它合金元素的添加，合金的凝固范围增大，凝固区间温度增加，焊缝区组织的形态会随之发生变化。采用背散射手段研究了含原始包铝层表面、仅去除包铝层表面氧化膜和完全去除包铝层三种表面状态对2524铝合金激光焊缝组织中晶粒大小、共晶相形态与数量及其对接头结晶裂纹倾向的影响，研究表明，铝合金表面包铝层的存在稀释了焊缝合金元素，使得焊缝区共晶数量减少，对裂纹的愈合作用减弱，结晶裂纹倾向增大;而包铝层表面氧化膜在焊接时会卷入焊接熔池成为异质形核核心，使焊缝组织细小，共晶物在晶界非连续分布，从而降低了结晶裂纹倾向对3mm厚5A90铝铿合金激光焊接接头微观组织中晶粒分布进行了研究，试验得到的接头熔合区形成狭窄的等轴非枝晶区，其它区域形成晶粒取向随机分布的等轴树枝晶组织。

2.3离焦量对铝合金焊缝成形的影响规律

离焦量是指激光焦平面与待焊工件上表面的距离，当焦平面位于工件上表面以上时为正离焦，焦平面位于工件上表面以下时为负离焦，诚然，焦平面位于工件上表面时离焦量为零。离焦量是激光焊接的一个重要参数，由于激光束是由激光头内透镜在焦距处聚焦成一个焦斑来汇聚能量实施焊接的，因此，从光学角度考虑，改变激光焊接的离焦量实质上是改变了激光束作用光斑面积从而改变了激光功率密度。对于焦长1SOmm或200mm的短焦透镜来说，离焦量的细微变化(毫米级别)将在很大程度上影响焊接模式和焊缝成形。

结语

（1）在一定的范围内，焊接速度越快，堆焊层组织越细小，硬质相分布弥散性越好。（2）焊接速度对结合强度的影响也很大。在一定的焊接速度范围内，焊接速度越快，结合强度越高，咬合越紧密，其可靠性也越高。（3）焊接速度对试样的硬度影响明显。在一定的范围内焊接速度越快，硬度越高。

参考文献

［1］郭正兴，何永勇，路新春．巴氏合金ZSnSb8Cu4的摩擦行为［J］．润滑与密封，2014，39（7）：5－10．

［2］杜强非，张楷，李明，等．过渡层在堆焊防磨中的应用［J］．内燃机与配件，2019（20）：240－243．