不同介质水蒸气等离子弧焊接7A52铝合金接头组织性能研究.pdf

　３６　　　材料工程／２０１０年４期　　不同介质水蒸气等离子弧焊接７Ａ５２铝合金　　接头组织性能研究　　　　　　　ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ７Ａ５２Ａｌｕｍｉｎｕｍ　　　　　　　　ＡｌｌｏｙＷｅｌｄｅｄＪｏｉｎｔｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＭｅｄｉｕｍ　　　　　ＡｑｕｅｏｕｓＶａｐｏｒＰｌａｓｍａＡｒｃ　　　　　　马世宁，罗林，刘谦，邱骥　　　　（装甲兵工程学院装备再制造工程系，北京１０００７２）　　—　　　　ＭＡＳｈｉｎｉｎｇ，ＬＵＯＬｉｎ，ＬＩＵＱｉａｎ，ＱＩＵｊｉ　　　　　（ＦａｃｕｌｔｙｏｆｔｈｅＲｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　　　　　　ＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｒｍｏｒｅｄＦｏｒｃｅｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　摘要：利用水蒸气等离子弧焊切设备，选择水及不同比例丙酮水溶液等作为电弧介质对７Ａ５２铝合金进行焊接，对不同　　　　　　　　　　　　介质水蒸气等离子弧的轴向电弧吹力进行测试，对不同介质水蒸气等离子弧焊接７Ａ５２铝合金接头的组织和性能进行　　　　　　　　　　　分析研究。结果表明：丙酮浓度越大，轴向电弧吹力越大，焊缝熔深越深；随着丙酮的添加，电弧的氧化性降低，有利于提　　　　　　　　　　　　高焊接质量，丙酮含量为４Ｏ（体积分数）时焊接接头性能最好，焊缝组织比较均匀；接头热影响区存在不同程度的硬化　　　　　　　　　　和软化区域，这与轴向电弧吹力大小、电弧热量传导速度、热影响区组织中强化相转化以及时效状态密切相关。　　　　　　　　关键词：７Ａ５２铝合金；水蒸气等离子弧；电弧介质；电弧吹力；微观组织　　中圈分类号：ＴＧ４０６；ＴＧ４５６．２　　文献标识码：Ａ　——　文章编号：１００１４３８１（２０１０）０４００３６－０６　　　　　　　　　　　　　　　　　—　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰｕｒｅｗａｔｅｒａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｄｉｕｍａｑｕｅｏｕｓｐｌａｓｍａａｒｃｗｅｒｅｕｓｅｄｔＯｗｅｌｄ７Ａ５２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌ　　　　　　　　　　　　　　　ｌｏｙｐｌａｔｅｏｆ６ｍｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅａｒｃｆｏｒｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｄｉｕｍａｑｕｅｏｕｓｐｌａｓｍａａｒｃｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　—　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ７Ａ５２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｄｉｕｍａｑｕｅｏｕｓｖａ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｏｒｐｌａｓｍａａｒｃｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅａｃｅｔｏｎｅ，ｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅａｒｅｆｏｒｃｅａｎｄ　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈｅｄｅｅｐｅｒｔｈｅｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｏｘｉｄｉｚａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｌａｓｍａａｒｃｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　—　ａｃｅｔｏｎｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔ．Ｔｈｅａｑｕｅｏｕｓｖａｐｏｒｗｉｔｈａｃｅｔｏｎｅｃｏｎｃｅｎ　　　　　　　　　　　　　　ｔｒａｔｉｏｎｏｆ４０（ｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎ）ｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｔｈｅｗｅｌｄｅｄ　　　　　　　　　　　　　　　ｊｏｉｎｔｓ．ＴｈｅｒｅｗａｓｈａｒｄｅｎａｎｄｓｏｆｔｅｎｚｏｎｅｉｎｔｈｅＨＡＺ（ｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ），ｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｙｒｅｌａｔｅｄｔＯ　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈｅａｒｃｆｏｒｃｅ，ｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆａｒｃｈｅａｔ，ｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｐｈａｓｅａｎｄｔｈｅａｇｉｎｇ　ｓｔａｔｅ．　　　　　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：７Ａ５２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｖａｐｏｒｐｌａｓｍａａｒｃ；ａｒｃｍｅｄｉｕｍ；ａｒｃｆｏｒｃｅ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　　　　　　　　　水蒸气等离子弧是电弧等离子体技术的新发　　展［１］，它是利用水或其他介质水溶液通过焊枪内蒸发　　　器的作用产生气体介质，该气体介质在电场作用下产　　　生电弧由于焊枪喷嘴的机械压缩效应，喷嘴内涡流导　　向槽形成旋转气流套的热收缩效应以及等离子束本身　　磁力而产生的磁收缩效应，使弧柱的收缩一直达到和枪　体内部的气体膨胀力平衡为止，从而形成了稳定的水蒸　　　气等离子弧。该技术设备体积小、质量轻、便携性好、机　　动性高，非常适合野外或应急条件下的焊接作业。　　　　　　　　　　　　　　７Ａ５２铝合金是近年来国内新研制的中强可焊铝　　　　合金结构材料，该合金熔铸方便，成形性好，经轧制能　　　获得比较理想的板材，通过适当的固溶及回归再时效　　　　处理，可获得优良的综合性能，已批量应用于军用装　　　备、航空航天器与地面车辆等焊接构件口－４］。目前该　　　　　　　　　　　　类合金的焊接主要采用金属焊条惰性气体保护焊　　　　（ＭｅｔａｌＩｎｅｒｔｉａＧａｓ，ＭＩＧ）和搅拌摩擦焊，这两种焊接　　　　　技术各有特点，均能实现对７Ａ５２铝合金的焊接，但由　　　　于ＭＩＧ焊需要专用电源和气瓶，设备牵连大；搅拌摩　　　擦焊对工装要求较严，设备繁重。这两种技术的便携　　性和机动性较差，不能满足野外或应急条件下的焊接　　　　　维修作业。所以，探索新的焊接方法在７Ａ５２铝合金　　应急维修中的应用是非常必要和迫切的。　　　不同介质水蒸气等离子弧焊接７Ａ５２铝合金接头组织性能研究　３７　　　１实验　　　　实验材料为６ｍｍ厚７Ａ５２铝合金板材，状态为淬火　　≥　≥　人工时效状态（ｃｓ），抗拉强度４１０ＭＰａ，伸长率　　　　　　　７％。焊件尺寸为ｌＯｍｍＸｌＯＯｍｍＸ６ｍｍ，焊丝ＥＲ５３５６，　　　直径３ｍｍ，基体及焊丝主要化学成分如表１，２所示。　　　　表１７Ａ５２铝合金化学成分　　　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ７Ａ５２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ　　　　焊接设备采用水蒸气等离子弧焊电源及专用焊　　　　　　　　　　　　　　　　枪，坡口６Ｏ。，对接单面一次焊完。焊完后沿焊缝横向　　　　—　进行取样，制取金相试样和拉伸试样，在ＣＳＳ一２２１０１　　　　　　　　　　　　　电子万能试验机上进行拉伸实验；在ＢＸ４１型光学金　　　　　　　　　　　　　　　　相显微镜上观察微观组织。腐蚀液为５ｍＬＨＮＯ。＋　　　３ｍＬＨＦ＋９２ｍＬＨ２Ｏ溶液。　　　水蒸气等离子弧轴向电弧吹力采用ｕ型玻管气　　　　　　　　　　　　压计进行检测。其示意图如图１所示。将焊枪垂直置　　　　　　　　　　　　　　　　　　　于工件正上方，将喷嘴垂直正对测量孔，孔径为　　　　　　　　　　　０．８ｍｍ，钨极尖锥角为６Ｏ。，工件为厚度２０ｍｍ的紫铜　　　　　　　　　　　　　　　　板，利用乳胶软管将紫铜板上的导出管与Ｕ型玻管气　　　　压计相连，轴向电弧吹力通过玻璃管内水柱的液面差△　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｈ换算获得。测量时水蒸气等离子电弧固定不变，　　　　　　　紫铜板可以纵向和横向移动。　　Ｍ　Ｃ　　　　　　２实验结果　　　图１实验装置示意图　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍｅｏｆｔｅｓｔｓｅｔ　　２．１轴向电弧吹力　　　　　　　　　　　水蒸气等离子弧电弧介质分别为纯水，２Ｏ％，４Ｏ％　　　　　　　　　　　　　　　　和６０（体积分数，下同）丙酮水溶液，其轴向电弧吹　　　　　　　　　　　　　　力测试结果如图２所示。可以看出，两种喷嘴孔径下，　　　　　　　　　　　　　　　　纯水介质水蒸气等离子弧轴向电弧吹力最小，随着丙　　　　　　　　　　　　　　　酮浓度的增加，轴向电弧吹力随之增加；相同条件下，　　喷嘴孔径越小，轴向电弧吹力越大。　　　　　图２电弧吹力随电弧介质的变化规律　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ａｘｉａｌａｒｃｆｏｒｃｅ＂０５ａｒｃｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　　　　　２．２焊缝宏观形貌　　　不同介质水蒸气等离子弧７Ａ５２铝合金焊缝横截　　　　　　　　　　　　　　面宏观形貌如图３所示。可以看出，电弧介质为纯水　　　　　　　　　　　时，７Ａ５２铝合金焊缝的熔深最浅（见图３（ａ）），随着丙　酮浓度的增加，７Ａ５２铝合金焊缝的熔深也逐渐加深，　　　　　　　　　　　　　　　　　丙酮浓度为６０时，焊缝出现熔透现象（见图３（ｄ））。　　　　　　　　对比几种焊缝的横断面可知，当丙酮浓度为４Ｏ时，　　　　　　　　　　　　　　　　焊接接头熔合最好（见图３（ｃ））。从焊缝宏观形貌看　　　　　　　　　不出焊缝存在明显的焊接缺陷。　　　　　２．３焊缝微观组织　　７Ａ５２铝合金的微观组织是典型的轧制组织，经淬　　　　不同介质水蒸气等离子弧焊接７Ａ５２铝合金接头组织性能研究　　　　　　　　　　　　　　弧电弧介质不同，其焊接接头热影响区中硬化、软化区　　　　　　　　域的程度和宽度各不相同。　　　　　　　　　　　　　　综上所述，由于不同介质水蒸气等离子弧的氧化　　性不同、轴向电弧吹力不同以及铝合金独特的焊接特　　　　　　　　　　　　　　　　　点，目前还只能定性地分析不同介质水蒸气等离子电　　　　　　　　　　　　　　　　　　　弧与７Ａ５２铝合金焊接接头组织和性能之间的关系。　　　　　　　　　　　　　　　对于接头热影响区显微硬度的复杂变化，焊接热循环　　　　　　　　　　　作用导致该处强化相（ＭｇＺｎ）的脱溶及晶粒长大是　　　　　　　　　　　　　　　　　　其内因，而轴向电弧吹力导致熔池的搅拌及焊接热的　　　　　传递则是其外因。　　　　４结论　　　　　　　　　　（１）纯水介质水蒸气等离子弧轴向电弧吹力最小，　　　　　　　　　　　　随着丙酮浓度的增加，轴向电弧吹力逐渐增大，其对熔　　　　　　　　　　　　　　　池的冲击和搅拌作用逐渐增强，焊缝熔池的熔深逐渐　　加深。　　（２）在其他工艺参数相同条件下，丙酮的添加有利　　　　于降低水蒸气等离子弧的氧化性，能有效提高７Ａ５２　　　　　　　　　　　　　　　　　　铝合金焊接质量和接头性能；纯水介质水蒸气等离子　　　　　　　　　弧焊缝存在气孑Ｌ、夹渣等焊接缺陷，而添加丙酮后，　　７Ａ５２铝合金焊接接头质量明显提高，焊缝中焊接缺陷　　　明显减少。　　　　　　　　（３）７Ａ５２铝合金不同介质水蒸气等离子弧焊接接　　　　　　　　　　　　　　　头热影响区中均存在硬化和软化区域，其硬化区域宽　　　　　　　　　　　　　度随着丙酮浓度的增加而逐渐变宽。这与轴向电弧吹　　　　　　　　　　　　力大小、电弧热量传导速度、热影响区组织中强化相转　　　　　　　化以及时效状态密切相关。　参考文献　　　　　　　［１］胡春红，胡绳荪，鲍加铭．不同介质微束水蒸气等离子弧的切割　—　性能［Ｊ］．焊接，２００３，（１）：１５１７．　　　　　　　　　　［２］ＴＨＭＡＳＷＭ，ＮＩＣＨＯＬＡＳＥＤ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｆｏｒｔｈｅ　　　　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，１９９７，１８（６）：—　　２６９２７３．　　　　　　　　　　［３］ＤＡＷＥＳＣＪ，ＴＨＯＭＡＳＷＭ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｐｒｏｃｅｓｓｗｅｌｄｓａｌｕｍｉ　　—　ｎｕｍａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，１９９６，７５（３）：４１４５．　　　　　　　　—　［４１ＪＯＥＬＪＤ．Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇａｄｖａｎｔａｇｅ［Ｊ］．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒ　　　　ｎａｌ，２００ｌ，８０（５）：３０３４．　　　　　　　　　—　［５］黄兰萍，陈康华，李松，等．高温预析出对Ａ卜ＺｎＭｇ铝合金组　　　　　　　　　　　　　　织、力学性能和应力腐蚀性能的影响［Ｊ］．中国有色金属学报，—　　２００５，１５（５）：７２７７３３．　　—　—　　［６］ＣＨＥＮＫａｎｇｈｕａ，ＨＵＡＮＧＬａｎｐｉｎｇ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ　０ｆ７××　×　　　　　　　　　ｓｅｒｉｅｓｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｂｙｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ　　　　—　［Ｊ］．ＴｒａｎｓＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔＳｏｃＣｈｉｎａ，２００３，１３（３）：４８４４９４．　　　　　　　　［７］余进，王克鸿，徐越兰，等．７Ａ５２铝合金双丝焊接头的组织及性　　—　能［Ｊ］．焊接学报，２００５，２６（１Ｏ）：８７８９．　　　　　　　　　［８］周万盛，姚君山．铝及铝合金的焊接［Ｍ］．北京：机械工业出版　　社，２００６．　　　　　　　　　　　　ｒ９］ＲＩＣＨＡＲＤＳＯＮＩＭ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｍｂｉｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎａｒｃ　　　　　　　　ｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｒｅｖｉｅｗ［Ａ］．ＰｈｙｓｉｃａｌＡｓｐｅｃｔｓｏｆＡｒｃＷｅｌｄｉｎｇ　　　　—　Ｉｆ］．Ｇｌａｓｇｏｗ：Ｉ１ｗＳＧ２１２：Ｐｈｙｓｉｃｓｏｆｗｅｌｄｉｎｇ，１９９３．４３６８．　　　　　　［１ｏ］胡绳荪，鲍家铭，孟英谦，等．不同介质微束水蒸气等离子弧的　　　—　气流形态与电弧力［Ｊ］．焊接学报，２００４，２５（３）：１３．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　基金项目：装备再制造技术国防科技重点实验室基金资助项目　（９１４ＯＣ８５Ｏ４Ｏ２Ｏ８Ｏ８）　　——　　——　收稿日期：２００９０７２０；修订日期：２０１００１０５　　　　　　　　　　作者简介：马世宁（１９４１一），男，教授，博士生导师，从事装备表面工程　　　　　　　　　　及装备维修等方面的研究，联系地址：北京市丰台区杜家坎２１号装甲　—　兵工程学院表面工程研究所（１０００７２），Ｅｍａｉｌ：ｍａｓｈｉｎｉｎｇ＠２６３．ｎｅｔ　　　——　通讯作者：罗林，电话：０１０６６７１８８７３，Ｅｍａｉｌ：ｌｌｂｌｍ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米柴米米米米米米米栗米米米米米米米米米米米米栗米米米米米米米米　　　（上接第３５页）　　　　　　　　　［２］ＹＡＳＵＨＩＲＯＨ，ＴＡＴＳＵＯＴ．ｊ二／夕ＩＪ一７１３ｙ夕体接合部一　　　———　ｌＪ、／方法［Ｐ］．日本专利：０９９６０１９，１９９７０４０８．　　　　　　　　　　［３］ＴＡＫＥＳＨＩＫ，ＫＥＮＩＣＨＩＭ．水膨搌厶组成物括土水膨强　———　厶止水材［Ｐ］．日本专利：０７１３８４１３，１９９５０５３０．　　　　　　　［４］胡海华，李锦山，王振华，等．高吸水膨胀橡胶的研制［Ｊ］．世界　—　橡胶工业，２００８，３５（１０）：２４２７．　　　　　　［５］韩燕蓝，王群，何培新．吸水膨胀橡胶的改性研究进展［Ｊ］．橡胶　　—　　工业，２００５，５２（４）：２５１２５５．　　　　　　　［６］张书香．吸水膨胀材料的研究进展和应用进展［Ｊ］．工程塑料应　—　　用，２０００，２（５）：３６３９．　　　　　［７］许临，李芳，付红旗．遇水膨胀橡胶的研制及应用进展［Ｊ］．中国　—　建筑防水，２０００，（２）：２７２９．　　　　　　　　　　　［８］刘岚，向洁，罗远芳，等．ＷＳＲ的研究进展［Ｊ］．高分子通报，—　　２００６，（９）：２３２９．　　　　　　　［９］周文英，齐暑华，安群力，等．吸水膨胀橡胶研究进展［Ｊ］．合成　　—　橡胶工业，２００７，３Ｏ（１）：６８７２．　　　　　　　　基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（２００８ＣＤＢ２８５）；湖北省教育　　厅科学研究计划重点资助项目（Ｄ２００８１５０１）　　——　　—　收稿日期：２００９０５１４；修订日期：２０１０一Ｏ１２２　　　　　　　　作者简介：李秀辉（１９８４），男，硕士研究生，从事高吸水功能高分子材　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　料研究，联系地址：武汉工程大学材料科学与工程学院（４３００７３），　　Ｅ－ｍａｉｌ：１ｘｈｘｘ２００３０２２３１３＠１６３．ｃｏｍ　　　　　　　　　通讯作者：吴江渝（１９７７一），男，博士，教授，从事生物医用高分子材料　　　　　和高吸水功能高分子材料研究，联系地址：武汉工程大学材料科学与工　—　程学院（４３００７３），Ｅｍａｉｌ：ｗｕｊｙ＠ｍａｉｌ．ｗｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ