Microstructure and mechanical properties of DP-MIG welding-rolling composite forming joints of 6061-T6 aluminum alloy
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摘要: 为解决6061-T6铝合金焊后热影响区软化导致力学性能下降的问题，基于焊接接头余高大变形强化过时效软化区的思想，采用双轧辊系统对6061-T6薄板铝合金直流双脉冲熔化极气体保护焊(DC double pulse metal inert gas welding，DP-MIG焊)接头进行同步双面轧制，并分析了焊轧复合成形接头组织与力学性能. 结果表明，焊缝晶粒受到竖直方向的轧制力发生大塑性变形，内部气孔消失，焊缝区域变宽，邻近焊缝的热影响区受到来自焊缝的挤压力发生协同宏观变形，远离焊缝的过时效软化区组织受到来自焊缝处的压应力，从沿垂直焊缝方向产生部分协同形变强化；接头的硬度明显提升，过时效软化区的硬度由60 ~ 70 HV提升至80 ~ 90 HV，过时效软化区的拉伸性能也有所提升，当焊接速度为800 mm/min时，抗拉强度最佳可达到母材的83.6%，相较于焊接接头提升19.4%，进而实现了对过时效软化区的强化效果.
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关键词:
- 铝合金 /
- 热影响区软化 /
- 直流双脉冲熔化极气体保护焊 /
- 焊轧复合成形
Abstract: To solve the problem of degrading of mechanical properties of as welded 6061-T6 aluminum alloy joint caused by softening of the heat-affected zone, this study applied a double-roller system to perform simultaneous double-sided rolling on 6061-T6 thin aluminum alloy DC double pulse metal inert gas (DP-MIG) welded joints, based on the idea of utilizing welding residual height and large deformation to strengthen the over-aging softened zone. The microstructure and mechanical properties of the welding-rolling composite forming joints were analyzed. The results are as follows: the weld grain is subjected to large plastic deformation by the vertical rolling force; The internal pores disappear, thus the weld area widens. The heat-affected zone adjacent to the weld is subjected to co-macro deformation by the extrusion force from the weld, and the over-aging softened zone far from the weld is subjected to compressive stress from the weld, resulting in partial co-deformation strengthening along the vertical weld direction. The overall hardness of the joints is significantly improved with the hardness of the over-aging softened zone, which increased from 60 − 70 HV to 80 − 90 HV. The tensile properties of the over-aging softened zone are improved. When the welding speed is 800 mm/min, the best tensile strength can reach 83.6% of that of the base metal, 19.4% higher than that of the welded joint, which is a notable improvement to the over-aging softened zone. -
0. 序言
NiCrMoV低合金钢作为一种超高强钢，综合性能良好，在船舶、压力容器等领域应用广泛[1-2]. 但由于此类高强钢具有较大的淬硬倾向，焊接时容易产生冷裂纹. 且随着强度的提高，其焊接冷裂敏感性就越大，还易导致焊接接头脆化[3-5].
对于NiCrMoV低合金高强钢焊接，除了采用预热措施之外，往往采用奥氏体焊材低强匹配接头抑制冷裂纹的产生，但是会大幅降低高强钢接头强度. 现有的奥氏体焊丝如316L或304不锈钢焊材，得到的焊缝接头强度仅为500 ~ 600 MPa. 因此采用高强度奥氏体焊材焊接超高强钢意义重大. 李大用等人[6]采用高铬镍奥氏体焊丝焊接低合金高强钢，其中氮含量约为0.1%，焊缝主要由树枝状奥氏体组成，无裂纹，接头强度可达800 MPa. 在抑制裂纹的同时可保证强度.
在奥氏体不锈钢体系中，高氮钢以氮部分或全部代替镍合金而形成固溶强化的奥氏体不锈钢，强度可达1 000 MPa[7]. 因此文中拟采用高氮奥氏体焊丝作为填充材料进行超高强钢熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW). 目前对于此类焊丝GMAW工艺研究较少. 针对8 mm厚超高强钢板对接，初步探索了利用高氮钢焊丝GMAW工艺，分析在60°和90°不同的坡口角度下接头组织和力学性能，为超高强钢焊接提供了新思路.
1. 试验方法
试验使用直径1.0 mm的高氮奥氏体钢焊丝作为填充材料，超高强钢板为母材，试板尺寸300 mm × 200 mm × 8 mm. 所用焊丝和母材成分如表1所示.
表 1 焊丝与母材化学元素组成(质量分数，%)Table 1. Chemical component of wire and substrate材料 C Ni Cr Mo Mn Si N 焊丝 0.071 2.32 21.59 1.21 16.95 — 0.79 母材 0.32 1.8 1.0 0.7 1.2 0.4 — 采用CMT + P焊接模式,先正面焊一道，然后背部清根，反面焊一道. 工艺参数为正面送丝速度10 m/min，反面送丝速度9.5 m/min，焊接速度4 mm/s. 保护气体为93.5% Ar + 1.5% O2 + 5% N2，气体流量20 L/min. 坡口形式分别为60°和90°坡口，上下深度比为5∶3. 考虑到焊枪的可达性及减少侧壁未熔合，间隙为3 mm. 拉伸试件按国家标准GBT 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》加工.
2. 试验结果分析
2.1 焊缝宏观形貌
图1是超高强钢高氮奥氏体焊丝熔化极电弧焊接的焊缝宏观形貌和接头纵向截面宏观形貌. 接头成形良好，焊材与母材之间形成冶金结合，接头纵向截面未见气孔、裂纹等缺陷.
2.2 显微组织分析
图2～图4为不同坡口焊缝与热影响区组织形貌. 热影响区可分为明显的粗晶区和细晶区，均为马氏体组织，如图2a，2b，3a，3b所示，对硬度影响较大. 焊缝的组织主要是被奥氏体基体所包围的铁素体树枝晶，且铁素体枝晶很密集. 除此之外，在枝晶中间还有一些“粒状”铁素体散乱的分布在整个金相中，被奥氏体基体所包围，如图2c，3c所示. 两种坡口的焊缝金属和母材金属在结合处的“白亮带”区域有着明显的模糊状态，有相互渗透的现象，并观察到该区是奥氏体与马氏体的混合组织，如图4所示.
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图 2 60°坡口不同区域显微组织Figure 2. Microstructure of different position with groove of 60°. (a) martensite coarse crystal structure of 60°；(b) martensite fine crystal structure of 60°; (c) weld austenite structure of 60°![]()
图 3 90°坡口不同区域显微组织Figure 3. Microstructure of different position with groove of 90°. (a) martensite coarse crystal structure of 90°；(b) martensite fine crystal structure of 90°; (c) weld austenite structure of 90°两种坡口接头熔合线附近热影响区组织和焊缝组织基本一致. 不同的是，90°坡口焊缝附近热影响区马氏体组织较60°的更细小，同时90°坡口热影响区马氏体和奥氏体的混合组织区的范围比60°的小. 在相同的热输入参数下90°坡口相比60°坡口，不仅能让电弧充分达到焊缝底部，且在相同的深度下，90°坡口与电弧的接触面积更大，熔池凝固快. 60°坡口情况则相反，熔池存在时间更长，这个过程提供了晶粒继续长大的条件，因此60°坡口热影响区马氏体和奥氏体混合组织区较90°的大，相应的马氏体组织也较为粗大. 同时，60°坡口焊缝区也受到影响，组织相对粗大.
如图5所示，在200 ~ 240 μm的热影响区到焊缝的过渡区，核心元素都有一个线性变化的过程，过渡区的存在说明焊缝金属和母材金属有着充分的冶金结合. 但如图4所示，90°坡口的渗透区域相对60°坡口的更大，且相对更均匀.
2.3 显微硬度
如图6所示1和2分别为60°坡口和90°坡口的硬度分布，硬度取样区域线见图1，两种硬度分布是一致的. 硬度按从母材-热影响区-焊缝的顺序依次测量，经过的组织依次为母材马氏体组织-马氏体细晶组织-混合组织-奥氏体组织. 根据图6各组试样的横向硬度分布可知，硬度最高区域主要集中在2.5 ~ 4 mm和7.5 ~ 9 mm的区域内，该区域的维氏硬度在450 ~ 590 HV之间，60°坡口该区硬度平均值为508 HV，90°坡口该区硬度平均值为536 HV. 在硬度显微镜下观测该硬度较高的区域主要为马氏体细晶区. 其中马氏体细晶区的硬度值均在500 HV及以上，平均可达530 HV；在热影响区到焊缝区的过渡区(3.5 ~ 4 mm)，该区组织硬度相对马氏体细晶区有一个下降过程，主要是因为该区是马氏体组织和奥氏体组织的混合组织，该区组织相对不均匀，所以该区域的硬度有个下降过程. 由图6可知，硬度最低的区域主要为4.5 ~ 7 mm区域，均在300 HV以下，平均硬度仅在275 HV左右. 该区域是焊缝区，其组织主要以奥氏体为基体的树枝状铁素体晶粒组织，故硬度较低，两种坡口在该区硬度值相差不大.
2.4 拉伸试验
从图7可以看出，60°坡口试样主要是从焊缝位置断裂，部分沿熔合线附近位置断裂，90°坡口试样主要沿熔合线附近位置断裂. 每个试样均有颈缩现象发生. 如表2所示，采用高氮奥氏体钢焊丝获得的接头平均抗拉强度可达850 MPa，该强度是在90°坡口下获得的. 60°坡口接头的抗拉强度则与之相差较大，仅为690 MPa. 对于不同坡口接头的拉伸力学性能变化与微观组织的某些区域的大小以及晶粒的大小有关. 在相同的坡口深度下，60°坡口侧壁与电弧的接触面积更小，其熔池存在时间更长，该过程为焊缝组织晶粒继续长大提供了条件，因此60°坡口焊缝区组织晶粒更粗大，其拉伸性能较低. 对于90°坡口其与电弧的接触面积更大，其熔池凝固快，晶粒相对较小，因此强度更高，并且由于混合组织区较宽，该区域成分介于母材和焊丝之间，得到的性能相对较低，所以90°坡口多断在此处.
表 2 接头抗拉强度 (MPa)Table 2. Tensile strength of joint坡口角度 试样1 试样2 试样3 平均抗拉强度 60° 720 678 672 690 90° 887 834 829 850 3. 结论
(1) 采用高氮奥氏体丝材进行超高强钢GMAW工艺，可以获得成形良好的焊接接头.
(2) 高氮钢焊缝金属和超高强钢母材金属在接头熔合线处有着明显的“白亮带”存在，有相互渗透的现象，说明焊材和母材有着充分的冶金结合.
(3) 采用上述工艺中60°坡口进行焊接，接头热影响区马氏体组织晶粒较大，且马氏体、奥氏体混合组织过渡区小；而90°坡口焊接接头热影响区马氏体组织晶粒更细小，且马氏体、奥氏体混合组织过渡区较大.
(4) 采用高氮奥氏体焊丝进行GMAW焊接，90°坡口可获得接头抗拉强度(850 MPa)高于60°坡口接头抗拉强度(690 MPa). 90°坡口试样马氏体细晶区硬度平均值为536 HV，高于60°坡口试样(508 HV).
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图 7 焊接速度400 mm/min下接头的微观组织
Figure 7. Microstructure of joints at welding speed 400 mm/min. (a) welding, weld; (b) welding, fusion zone; (c) welding, over-aging softened zone; (d) welding-rolling, weld; (e) welding-rolling, fusion zone; (f) welding-rolling, over-aging softened zone
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图 10 轧制过程DP-MIG焊接头各部分受力情况
Figure 10. Force on each part of DP-MIG welding joints during rolling. (a) high heat input; (b) low heat input
表 1 母材与焊丝的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wire
材料 Mg Si Fe Cu Mn Cr Zn Ti Al 6061-T6 1.074 0.635 0.397 0.268 0.082 0.205 0.003 0.003 余量 ER5356 4.900 0.050 0.120 0.005 0.120 0.120 0.090 0.090 余量 
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表 2 DP-MIG焊焊接电流波形基本参数
Table 2 Corresponding parameters of DP-MIG welding current waveform
平均焊接电流
I/A基值电流
Ib /A峰值电流 IP /A 基值时间 tb /ms 峰值时间 tP /ms 弱脉冲 强脉冲 弱脉冲 强脉冲 弱脉冲 强脉冲 80 28 310 336 0.8 0.6 1.0 0.8
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表 3 焊接工艺参数
Table 3 Welding parameters
焊接电流I/A 焊接速度v/(mm·min−1) 脉冲频率f/Hz 热输入E/(kJ·mm−1) 焊丝伸出长度l/mm 保护气体流量Q/(L·min−1) 80 400 3 1.78 15 16 80 600 3 1.19 15 16 80 800 3 0.90 15 16
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表 4 不同焊接速度下焊缝尺寸
Table 4 Weld size at different welding speeds
焊接速度v/(mm·min−1) 余高h/mm 熔宽w/mm 400 2.88 8.54 600 1.98 7.80 800 1.52 6.16
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