2A12 高强铝合金具有质轻、价廉及良好的加工和低温力学性能, 成为制造高强度焊接结构的理想材料, 在工业和国防中得到广泛应用 。目前, 该合金的焊接主要采用氩弧焊, 由于焊接过程中热输入量大, 容易出现焊接变形和残余应力, 同时填充材料和焊缝两侧材料经过熔化重新结晶, 最终在焊缝处形成铸态组织, 容易出现气孔、缩松等缺陷, 致使焊后接头强度降低, 一般只有母材强度的50% ~60% , 其应用受到了很大的限制。为此, 许多研究人员提出了多种改善高强铝合金焊接接头强度的方法。
超声冲击技术是最新发展起来的一种提高焊接接头疲劳强度的新方法。许多研究表明, 通过焊后超声冲击可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度, 能够使疲劳寿命增加几倍甚至几十倍以上。超声冲击设备更是该项技术的领路人。文中研究了2A12 铝合金焊缝经过超声冲击设备消除应力前后断面显微组织和硬度, 焊接接头表面显微硬度与残余应力的变化, 探讨了超声冲击提高高强铝合金焊接接头强度的微观机理。
2 试验结果与分析
2. 1 超声冲击处理对焊缝组织的影响
图1 是超声冲击处理前后焊接接头焊缝区光学显微组织形貌。由图1a 可见, 未处理焊缝为树枝晶铸态组织, 这种铸态组织晶粒粗大且不均匀, 组织不致密, 气孔、缩松等微观缺陷较多。图1c 是超声冲击处理后焊缝区不同放大倍数的显微组织形貌。从中可以看出, 超声冲击处理后, 焊缝的显微组织发生了明显的变化, 焊缝表面层发生了剧烈的塑性变形, 变形程度随着深度的增加逐渐变小。同时可以看到, 超声冲击处理后焊缝中无论是气孔的数量还是单个气孔的体积都明显减少, 焊缝组织更加致密, 其主要原因是焊缝合金组织经超声冲击处理后产生了大塑性变形, 其中微小的气孔或缩松被压合, 从而使组织致密化。
在塑性变形过程中, 随着焊缝内部组织结构的变化, 金属的力学性能也产生明显的变化。随着变形程度的增加, 会产生加工硬化, 使金属的强度和硬度得到提高, 这在断面显微硬度的测定中得到了证实。
2. 2 超声冲击处理对显微硬度的影响
2. 2. 1 表面显微硬度变化
图2 为未处理和经超声冲击处理后2A12 高强铝合金焊接接头表面显微硬度的分布图。由图可约为80HV0. 25, 仅为母材的66. 7%; 超声冲击在焊接接头区形成一层硬化层, 使焊缝、焊趾以及与其相连的母材金属表面的硬度均有明显提高, 硬度值上升到130 HV0. 25 左右, 高于母材硬度。与母材相比, 焊缝、焊趾部位硬度提高更为明显, 这对改善焊接接头的力学性能具有积极的作用。见, 未处理的焊接接头焊缝中心部位的维氏硬度大。
2. 2. 2 断面显微硬度变化
超声冲击处理前后, 测得焊缝断面硬度结果分析如图3 所示, 由图可以看出, 经超声冲击处理, 焊缝表面层的显微硬度约为91 HV0. 25, 远远高于焊缝中心部位的硬度。随着深度的进一步增加, 硬度值先降低, 然后变化趋于缓慢, 大约为55 HV0. 25。超声冲击处理前, 焊缝区域的硬度大约45 HV0. 25,低于冲击处理后。超声冲击处理使材料表面产生了剧烈的塑性变形, 随着塑性变形的进行, 位错密度不断增加, 位错在运动时的相互交割加剧, 从而产生固定割阶、位错缠结等障碍, 位错运动阻力增大, 引起变形抗力增加, 使金属的进一步塑性变形变得困难, 要继续变形就必须增大外力, 因此就提高了金属的强度( 加工硬化) , 其直接表现就是硬度和后继屈服强度的增加 。
另外, 超声冲击处理减少了气孔和缩松等焊接缺陷, 使焊缝组织致密化, 在表层得到了锻态组织。这是硬度增加的另一原因。硬度的提高会使焊接接头的强度得到提高。
2. 3 超声冲击处理对残余应力的影响
焊接残余应力是熔化焊接工艺的一个很难避免的缺陷, 对焊接结构抗疲劳、脆断、应力腐蚀破坏以及屈服强度、尺寸稳定性都存在很大影响。因此最大限度地降低或消除焊接残余应力, 是焊接结构领域十分关注的一个重要问题。为此, 对超声冲击处理前后的残余应力进行了测试分析。采用X 射线应力测试技术, 沿焊接接头横向测定了处理和未处理试件的表面残余应力分布, 结果如图4 所示。由图可见, 在超声冲击前焊缝区2 个测点的残余应力值都比较大, 最大值为127MPa, 焊趾处残余应力值为- 35 MPa, 母材2 个测点的残余应力为- 12MPa和3 MPa, 符合一般的焊接接头残余应力拉压自相平衡分布规律 。经超声冲击处理后的焊缝和焊趾3个测点的残余应力都变为压应力, 最大压应力为- 133 MPa, 最小压应力为- 50 MPa。
结论
(1) 2A12 铝合金采用ER5356 焊丝的焊接接头, 焊缝区具有铸态组织的特征, 存在明显的气孔、缩松等缺陷。经超声冲击处理后, 以上缺陷明显减少, 组织更加致密, 同时在表面层形成了一层厚度约300 Lm的致密塑性变形层。
( 2) 由于表面产生大塑性变形, 超声冲击处理使焊接接头的表面显微硬度得到了明显提高。
( 3) 全覆盖超声冲击能够消除2A12 铝合金焊接接头表面的致裂拉伸残余应力, 形成有利的残余压应力层。
( 4) 超声冲击处理使焊缝表面铸态组织向锻态组织转变, 气孔、缩松等缺陷的减少, 硬度的提高以及残余应力的大幅降低都将对提高焊接接头的抗疲劳和抗应力腐蚀性能有重要的作用。
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