吳文波，張志云

(一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130001)

6005A鋁合金是Al-Mg-Si系中等強(qiáng)度鋁合金，因其耐蝕性好、焊接性能好及良好的熱擠壓工藝性能等優(yōu)點(diǎn)[1]，適合加工成復(fù)雜截面的多孔型材，在軌道交通車輛的地板、車體骨架等應(yīng)用廣泛[2-5]，近些年來成為汽車輕量化研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)之一[6]。MIG焊因接頭性能好，焊接效率高，是汽車車身用鋁合金型材焊接的主要工藝方法[7]。但研究報(bào)道主要集中在焊接接頭的性能和微觀強(qiáng)化機(jī)制方面[8]，而對影響焊接接頭強(qiáng)度指標(biāo)的鋁合金焊接氣孔問題仍有待進(jìn)一步研究[9]。影響鋁合金焊接氣孔的主要因素有焊接工藝參數(shù)、焊接母材及其表面質(zhì)量、焊接環(huán)境、焊絲選材等[9]。為了實(shí)現(xiàn)鋁合金型材的低氣孔率焊接，本試驗(yàn)對6005A-T6鋁合金型材以角接接頭形式，以不同的焊接電流和焊接速度進(jìn)行MIG焊接試驗(yàn)，探索氣孔產(chǎn)生原因，并對焊縫組織進(jìn)行分析，為車身鋁合金型材MIG焊接應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用3 mm厚的6005A-T6鋁合金型材，加工成尺寸為80 mm×60 mm的焊接試板。填充焊絲型號為AlSi5-4043，直徑為1.2 mm，主要成分如表1所示。保護(hù)氣體選用純度為99.99%的氬氣。采用TPS 320i Fronius焊機(jī)對其進(jìn)行MIG角接焊接具體焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 母材及焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of base metal and welding wires(wt/%)

表2 6005A-T6鋁合金MIG角接焊接工藝參數(shù)Table 2 MIG fillet welding parameters of 6005A-T6 aluminum alloy

型材焊接完成后，用線切割機(jī)將焊接接頭加工成金相分析試樣。采用Diondo d2 X射線掃描設(shè)備，檢查焊縫中氣孔分布情況。采用Struers Tegramin-30自動(dòng)磨拋機(jī)將試樣拋光后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH試劑腐蝕，在Zeiss AXIO光學(xué)顯微鏡下觀察。采用LM300 AT數(shù)顯顯微硬度計(jì)，對試樣接頭硬度分布進(jìn)行測量，加載載荷3 N，加載時(shí)間10 s，步距為1 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接速度

圖1為固定其他焊接工藝參數(shù)不變情況下，采用不同焊接速度角焊焊接頭外觀質(zhì)量狀態(tài)。由圖1a可見，固定焊接電流190 A，當(dāng)焊接速度為12 mm/s時(shí)，焊縫熔寬不均勻，成型飛濺較多，焊縫表面不光潔。隨著焊接速度減小，焊接熱輸入增加，焊縫外觀趨向穩(wěn)定，但仍有部分焊接飛濺，且局部有咬邊缺陷。當(dāng)焊接速度降至9 mm/s時(shí)，焊縫呈現(xiàn)典型的魚鱗紋形狀，質(zhì)量較好。

圖1 1#～4#試樣不同焊接速度下MIG焊接頭宏觀形貌Fig.1 Appearance of MIG joints of different welding speeds of 1#～4# specimens

2.2 焊接電流

圖2為保持其他焊接工藝參數(shù)相同時(shí)，不同焊接電流下MIG角接焊焊縫外觀質(zhì)量。目視檢查焊縫表面無咬邊、塌陷、未熔合等明顯缺陷。與圖1d相比，在裝配質(zhì)量一致的情況下，固定焊接電流190 A時(shí)，繼續(xù)降低焊接速度至8 mm/s，由圖2a可見，焊縫熔寬不均勻，外觀表面粗糙，甚至出現(xiàn)少量氣孔。保持焊接速度8 mm/s不變，焊接電流為200A時(shí)，焊縫外觀質(zhì)量有所改善。進(jìn)一步增大焊接電流，焊縫表面質(zhì)量逐漸穩(wěn)定向好，當(dāng)焊接電流達(dá)到220 A時(shí)，焊縫呈現(xiàn)均勻細(xì)膩的魚鱗紋外觀(如圖2d)。

圖2 5#～8#不同焊接電流下MIG焊接頭宏觀形貌Fig.2 Appearance of MIG joints with different welding currents of 5#～8# specimens

2.3 無損探傷分析

圖3為四種焊接電流的焊縫的X射線掃描結(jié)果。從圖3a中可見，焊接電流190 A，焊接速度8 mm/s時(shí)，焊縫內(nèi)部氣孔數(shù)量較多，最大氣孔直徑為3.98 mm。研究表明，鋁合金焊接的氣孔缺陷主要為氫氣孔[10]。當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時(shí)，電流越大，焊接熱輸入越大，電弧力越集中，熔深也隨之增加，熔池內(nèi)部翻滾加劇，導(dǎo)致氣體保護(hù)效果不良，部分空氣進(jìn)入熔池，且氫的溶解度隨溫度升高而增大[10]，當(dāng)電弧趨近時(shí)，熔池內(nèi)氫含量增加，導(dǎo)致氣孔多且大。優(yōu)化焊接熱輸入，繼續(xù)增加焊接電流時(shí)，降低焊接速度，氣孔數(shù)量明顯減少，最大氣孔直徑也逐漸減小。當(dāng)焊接電流220 A時(shí)，焊縫中僅有5個(gè)氣孔，且氣孔最大直徑僅為1.19 mm。這是由于合適的焊接熱輸入對焊縫液態(tài)冶金影響較大，但電弧離開時(shí)，焊縫溫度驟降，熔池內(nèi)大量的氫氣泡上浮溢出，但由于鋁的密度小，且結(jié)晶速度快，形成的氣泡來不及在鋁結(jié)晶前溢出，仍存留在焊縫內(nèi)部，形成氫氣孔。

圖3 5#～8#試樣X射線掃描MIG焊接頭氣孔的最大直徑Fig.3 Max.diameters of MIG joints pores of 5#～8# specimens by X-ray scanning

2.4 接頭顯微組織分析

圖4給出了8#試樣在220A焊接電流下，鋁型材焊接接頭各個(gè)區(qū)域的截面位置，包括母材區(qū)(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)、熔合區(qū)(FZ)和焊核區(qū)(WZ)。

圖4 8#試樣MIG焊角接頭截面Fig.4 MIG fillet joint section of 8# specimen

圖5為8#試樣焊接接頭各區(qū)域的顯微組織。由圖5a可看出，母材區(qū)為擠壓加工后的再結(jié)晶組織，顯微組織致密，主要是α(Al)與時(shí)效析出的彌散分布的Mg2Si共晶組織。圖5b顯示的熱影響區(qū)位于距離焊縫中心約15 mm處，此處受焊接熱循環(huán)影響，加熱時(shí)溫度遠(yuǎn)超人工時(shí)效溫度，但仍未達(dá)到均勻化溫度，導(dǎo)致組織產(chǎn)生過時(shí)效效應(yīng)，Mg2Si強(qiáng)化相顆粒聚集長大，晶界隨之粗化，致使該區(qū)域硬度下降，形成軟化區(qū)。圖5c表明，靠近焊縫的熔合區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下，沿散熱方向以聯(lián)生結(jié)晶形式形成柱狀晶組織。但由于Mg、Si合金元素溶入α(Al)中，形成過飽和固溶體，且過剩的Mn、Cr等合金元素提高了淬火冷卻速度[11]，導(dǎo)致熔合區(qū)產(chǎn)生了淬火效應(yīng)。焊后自然存放時(shí)，過飽和固溶體自然分解，產(chǎn)生自然時(shí)效硬化[12]。圖5d中焊縫區(qū)為焊絲與基體熔化后形成的激冷結(jié)晶組織[13]，此處熱輸入高，熔池凝固速度慢，導(dǎo)致晶粒完全自由生長成以α(Al)固溶體為基體的等軸晶鑄態(tài)組織，伴隨有部分微小氣孔，主要是由于晶界液化和焊接收縮導(dǎo)致。

圖5 8#試樣MIG焊接頭微觀組織Fig.5 Microstructure of MIG joint of 8# specimen

2.5 顯微硬度分析

圖6所示為8#試樣MIG焊接接頭顯微硬度的分布情況。由圖6可見，MIG焊縫接頭硬度分布表現(xiàn)為典型的“W”型，母材區(qū)硬度最高，約為73.5 HV，焊縫中心硬度最低，僅為58.7 HV。焊縫兩邊熔合區(qū)硬度略高，約為63 HV，在距離焊縫中心15 mm左右處顯微硬度出現(xiàn)了衰減，約為60 HV。分析認(rèn)為，此處為熱影響區(qū)過時(shí)效軟化區(qū)[14]，受焊接熱循環(huán)作用，在冷卻時(shí)效過程中，強(qiáng)化相析出少且粒子粗化長大，導(dǎo)致硬度和力學(xué)性能大幅降低。

圖6 8#試樣焊縫處顯微硬度分布Fig.6 Distribution of microhardness in weld joint of 8# specimen

3 結(jié) 論

1)6005A-T6鋁合金型材MIG角接焊接時(shí)，當(dāng)其他焊接參數(shù)相同時(shí)，適當(dāng)匹配焊接電流和焊接速度，提升焊接熱輸入對焊縫外觀質(zhì)量有利，當(dāng)熱輸入過大時(shí)，反而不利于焊縫成型質(zhì)量。

2)MIG角接焊縫內(nèi)氫氣孔受焊接熱輸入影響較大，匹配合適的熱輸入，有利于減小焊縫內(nèi)氣孔數(shù)量及其尺寸。

3)MIG角接焊縫為等軸柱狀晶鑄態(tài)組織，在距離焊縫中心約15 mm處因受焊接熱循環(huán)作用發(fā)生過時(shí)效軟化，熔合區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下形成柱狀晶組織，但因過飽和固溶體的形成與分解，以及淬火效應(yīng)對該處組織性能產(chǎn)生不同程度影響。

4)MIG焊縫接頭硬度分布表現(xiàn)為典型的“W”型，焊縫中心硬度最低，僅為58.7 HV。距離焊縫中心15 mm左右處為過時(shí)效軟化區(qū)，硬度出現(xiàn)衰減，約為60 HV。

5)在焊接電流220 A、焊接電壓24 V、焊接速度9 mm/s、送絲速度3 m/min、氣體流量16 L/min情況下，可以獲得焊縫成型良好的MIG焊接頭。