任思蒙，任毅斌，宋小雨，李英東，王國(guó)軍

(中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司，北京102209)

鋁合金因密度小，可焊，耐腐蝕，易加工成形等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車車身。我國(guó)新興新能源汽車快速發(fā)展，鋁合金作為汽車的首選材料，用量逐年提升，車輛及零部件主要依靠熔焊技術(shù)連接，因此保證車身焊接接頭質(zhì)量尤為重要。

在鋁合金車身焊接中，接頭氣孔是常見的缺陷之一，氣孔使焊縫致密性降低，有效承載面積減小，嚴(yán)重影響焊接接頭的使用性能。分析氣孔形成的主要因素，其中環(huán)境溫濕度為最關(guān)鍵的一個(gè)影響因素。因此，在鋁合金焊接生產(chǎn)中，將環(huán)境濕度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，可以在保證鋁合金焊接質(zhì)量的前提下有效降低因過于嚴(yán)格地控制環(huán)境濕度帶來(lái)的生產(chǎn)成本的增加[1-4]。

我國(guó)一年四季及不同地域環(huán)境溫濕度有規(guī)律性變化，不同溫濕度是如何影響焊接接頭氣孔的產(chǎn)生及分布從而影響接頭質(zhì)量值得探究。本試驗(yàn)結(jié)合新能源汽車常用型材焊接問題，研究環(huán)境溫濕度對(duì)6082-T6鋁合金MIG焊接接頭氣孔和力學(xué)性能的影響，為以后主機(jī)廠建立生產(chǎn)廠房及從事鋁合金MIG焊接工作提供參考[5]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用6082-T6鋁合金型材，尺寸為300 mm×150 mm×2 mm。填充焊絲為ER5356鋁合金，直徑為1.2 mm。試驗(yàn)材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 6082-T6鋁合金與ER5356焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 6082-T6 Al alloy and ER5356 wire(wt/%)

1.2 試驗(yàn)方法

采用熔化極氣體保護(hù)焊，接頭形式為對(duì)接，焊機(jī)為奧地利Fronius公司生產(chǎn)的TPS4000 CMT advanced，焊槍裝載在機(jī)械手臂上，進(jìn)行自動(dòng)焊接，保護(hù)氣體為99.999%的高純氬氣。焊接工藝參數(shù)：焊接電流為80 A，焊接速度為0.75 m/min，焊接電壓為17.6 V，氬氣流量為18 L/min～20 L/min。

在試驗(yàn)過程中，對(duì)整個(gè)焊接系統(tǒng)進(jìn)行遮擋，形成封閉式“焊接室”，用加熱器和加濕器改變焊接環(huán)境的溫度和濕度。采用X射線無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)定焊縫中氣孔形態(tài)及數(shù)量，標(biāo)記氣孔所在位置。采用圖像分析軟件計(jì)算氣孔總面積，氣孔所占整個(gè)焊道面積比即為氣孔率，用來(lái)表征氣孔敏感性。采用AG-X Plus-10 kN拉伸機(jī)，根據(jù)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為3 mm/min，記錄抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率，以及斷裂位置。根據(jù)GB/T 2653-008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫彎曲試驗(yàn)，壓輥直徑為30 mm，彎頭直徑為20 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣孔率和氣孔分布

通過改變環(huán)境獲得不同溫度和相對(duì)濕度下的焊接接頭，表2為6082-T6鋁合金焊縫氣孔率和氣孔分布形式。

表2 不同溫濕度6082-T6鋁合金焊縫的氣孔率Table 2 The porosity rate of 6082-T6 aluminum alloy welded joint with different temperatures and humidities

續(xù)表2

當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，焊縫的氣孔率隨相對(duì)濕度的增加呈規(guī)律性變化，相同溫度下氣孔率隨相對(duì)濕度的增大而增加。當(dāng)溫度為26℃、相對(duì)濕度為50%時(shí)，氣孔率為0.48%；而溫度為14 ℃、相對(duì)濕度為60%和溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為60%時(shí)，氣孔率分別為0.10%和0.34%。這說明研究環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)氣孔率的影響還應(yīng)結(jié)合當(dāng)前溫度，要從溫度和相對(duì)濕度綜合角度考慮環(huán)境因素對(duì)焊縫氣孔的影響。

濕度分為相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度，相對(duì)濕度只能在同一溫度條件下對(duì)比，不同溫度，應(yīng)采用絕對(duì)濕度進(jìn)行對(duì)比分析。絕對(duì)濕度是指單位體積空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量，絕對(duì)濕度與相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換公式：

f=W×F×100%

(1)

式中：

f—絕對(duì)濕度，g/m3；

W—相對(duì)濕度，%；

F—一定溫度和壓強(qiáng)下空氣飽和水蒸氣含量，g/m3。

鏈狀氣孔是最為嚴(yán)重的焊接氣孔缺陷，對(duì)焊接接頭承受靜載荷和交變載荷都是極為不利的[6-7]。在某些特定工況場(chǎng)合或評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)里，鏈狀氣孔直接視為未焊透等缺陷。從表2再結(jié)合表3來(lái)看，隨著絕對(duì)濕度的增加，氣孔的分布形式由單個(gè)氣孔轉(zhuǎn)向密集氣孔，再由密集氣孔轉(zhuǎn)向鏈狀氣孔。氣孔尺寸和數(shù)量也隨著絕對(duì)濕度的增大而變大。

表3 不同溫度和相對(duì)濕度下的絕對(duì)濕度Table 3 Absolute humidities under different temperatures and relative humidities

圖1為不同絕對(duì)濕度的焊縫氣孔率和分布。可以看出，隨著絕對(duì)濕度的增加，焊縫氣孔率逐漸增大。絕對(duì)濕度的增加還會(huì)改變氣孔在焊縫中的存在形式，絕對(duì)濕度在4.82 g/m3以下時(shí)，氣孔率為0，說明此時(shí)的環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)焊縫氣孔幾乎沒有影響；當(dāng)絕對(duì)濕度達(dá)到或超過4.82 g/m3后，氣孔以單個(gè)形式存在；當(dāng)絕對(duì)濕度達(dá)到或超過到10.38 g/m3時(shí)，氣孔密集存在；當(dāng)絕對(duì)濕度到達(dá)或超過到17.01g/m3時(shí)，氣孔以鏈狀形式存在。氣孔率上升和氣孔的分布形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因是隨著絕對(duì)濕度的增加，空氣中單位體積內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量增多，導(dǎo)致在焊接過程中水蒸氣侵入電弧和熔池的概率加大，熔池凝固后，焊縫中形成更多的氫氣孔。

圖1 不同絕對(duì)濕度下焊縫氣孔率和分布Fig.1 Weld porosity and distribution of different absolute humidities

2.2 氣孔形成機(jī)制

氫是鋁合金熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因，在不同溫濕度條件下，尤其是在較為潮濕的環(huán)境中，氫的主要來(lái)源是空氣中的水蒸氣。在焊接過程中，熔融態(tài)鋁合金與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

3H2O+2Al→Al2O3+6[H]

(2)

(3)

分解的氫不斷擴(kuò)散和溶解在電弧及熔池的液態(tài)金屬中，溫度越高，氫溶解度越大，越易在焊接接頭中形成氣孔。在熔化溫度為600 ℃和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，氫在純鋁中的溶解度可從液態(tài)的0.69 mL/100 g突降到固態(tài)的0.036 mL/100 g，相差約20倍。氫的溶解度陡降，導(dǎo)致鋁液中氫出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，在焊接條件下，熔池周邊有母材未熔化的固態(tài)晶粒及成長(zhǎng)中的固態(tài)枝晶和少量難溶的固態(tài)質(zhì)點(diǎn)，它們的表面為氣泡的非自發(fā)形核提供了條件，氣泡核隨即開始長(zhǎng)大。

單個(gè)的小氣泡長(zhǎng)大是比較困難的，形核后的小氣泡半徑非常小，氣泡的長(zhǎng)大速度與其長(zhǎng)大過程中受到的壓力有關(guān)，即析出氣體的總壓力必須大于氣泡的外界壓力：

Pg>Pa+Pc

(4)

式中：

Pg—?dú)馀輧?nèi)的氣壓；

Pa—?dú)馀萃獠繅毫Γ?/p>

Pc—由表面張力構(gòu)成對(duì)氣泡的壓力；

σ—液體金屬與氣泡間的表面張力；

rc—?dú)馀莸陌霃健?/p>

形核后的小氣泡半徑rc非常小，由表面張力構(gòu)成對(duì)氣泡的壓力(Pc)則非常大，各個(gè)小氣泡在熔池中浮動(dòng)，以不同速度浮游、匯聚，相鄰的小氣泡不斷發(fā)生合并，氣泡尺寸變大，然后氣泡繼續(xù)長(zhǎng)大。

有些已經(jīng)長(zhǎng)大的氫氣泡來(lái)不及逸出留下空穴形成氣孔。在降溫過程中，焊縫凝固速度對(duì)氣孔影響很大，當(dāng)其他條件不變時(shí)，金屬凝固速度越快，氣泡越難溢出。由于6082鋁合金導(dǎo)熱性能較好，焊接過程中傳熱速度快，流動(dòng)性變差[8]，冷卻時(shí)液態(tài)金屬凝固速度快，氣泡難以逸出，因此在不同工藝條件下形成大小不一、形態(tài)各異的焊縫氣孔。

2.3 力學(xué)性能

將不同溫濕度的焊接接頭加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和彎曲試樣，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。圖2和表3分別為不同絕對(duì)濕度對(duì)6082-T6鋁合金接頭力學(xué)性能和斷裂位置的影響。由圖2和表3可知，絕對(duì)濕度小于14.15 g/m3，接頭抗拉強(qiáng)度保持在203 MPa～218 MPa，伸長(zhǎng)率在4.9%～5.9%，斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)或焊縫區(qū)，整條焊縫上的氣孔以點(diǎn)狀、密集狀形式分布，且氣孔率較低，能保證接頭的致密性；但當(dāng)絕對(duì)濕度上升到17.01 g/m3以后，接頭抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，焊縫氣孔分布形式為鏈狀氣孔，斷裂位置全部發(fā)生在焊縫區(qū)。原因?yàn)楫?dāng)有鏈狀氣孔存在且氣孔率比較高時(shí)，嚴(yán)重破壞焊縫的致密性，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能降低。

圖2 絕對(duì)濕度對(duì)6082-T6鋁合金接頭力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of absolute humidities on mechanical properties of 6082-T6 aluminum alloy joint

表3 絕對(duì)濕度對(duì)6082-T6鋁合金接頭斷裂位置的影響Table 3 Influence of absolute humidities on the fracture location of 6082-T6 aluminum alloy joints

表4為不同絕對(duì)濕度對(duì)6082-T6鋁合金焊接接頭彎曲性能的影響。由表4可以看出，正彎和背彎角度隨絕對(duì)濕度的升高下降。當(dāng)絕對(duì)濕度小于12.15 g/m3時(shí)，正彎和背彎角度均可達(dá)到180°，且未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，絕對(duì)濕度對(duì)彎曲性能沒有明顯影響；當(dāng)絕對(duì)濕度為14.58 g/m3時(shí)，彎曲角度雖可達(dá)到180°，由于焊縫中有氣孔存在，引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生焊接裂紋，接頭彎曲性能下降，對(duì)比之前在此絕對(duì)濕度下，接頭拉伸性能未發(fā)生明顯改變，說明絕對(duì)濕度上升，對(duì)接頭彎曲性能的影響更為顯著；當(dāng)絕對(duì)濕度為17.01 g/m3時(shí)，正彎和背彎的角度分別為46°和64°，正彎角度小于背彎角度，這是因?yàn)檎龔澲饕疾旌缚p上部性能，焊縫上表面受拉應(yīng)力，此時(shí)空氣中的水蒸氣主要進(jìn)入熔池上部形成氣孔，因此表現(xiàn)為正彎較背彎角度要??；當(dāng)絕對(duì)濕度上升為19.44 g/m3時(shí)，正彎和背彎分別為40°和49°，彎曲角度相差不大，此時(shí)空氣中的水蒸氣完全侵入到弧柱和熔池中去，形成的氣孔致使焊縫接頭彎曲性能整體下降。

表4 不同絕對(duì)濕度對(duì)6082-T6鋁合金接頭彎曲性能影響Table 4 Influence of different absolute humidities on bending performance of 6082-T6 aluminum alloy joints

3 結(jié) 論

1)對(duì)于6082-T6鋁合金型材焊接，應(yīng)控制絕對(duì)濕度，絕對(duì)濕度對(duì)MIG焊接接頭氣孔率和氣孔分布有較大影響，隨著絕對(duì)濕度的提高，氣孔率逐漸上升。

2)6082-T6鋁合金接頭斷裂位置一般發(fā)生在熱影響區(qū)。氣孔率較低時(shí)，斷裂位置不發(fā)生改變，絕對(duì)濕度對(duì)接頭拉伸性能和彎曲無(wú)明顯影響；但氣孔率升高，氣孔分布轉(zhuǎn)變?yōu)殒湢顣r(shí)，斷裂位置發(fā)生在焊縫區(qū)，力學(xué)性能和彎曲性能明顯下降。