焊絲成分對6082-T6鋁合金焊接接頭組織和性能的影響

靳佳霖，徐國富, 2，李 耀，彭小燕，梁霄鵬, 2，鄧 英, 2，尹志民, 2

焊絲成分對6082-T6鋁合金焊接接頭組織和性能的影響

靳佳霖1，徐國富1, 2，李 耀1，彭小燕1，梁霄鵬1, 2，鄧 英1, 2，尹志民1, 2

(1. 中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083；2. 中南大學(xué) 有色金屬材料科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

采用ER5356和ER5087焊絲對12 mm厚6082-T6鋁合金進(jìn)行熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)后，通過顯微硬度測試、拉伸力學(xué)性能測試、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、電子背散射衍射(EBSD)和透射電鏡(TEM)等研究焊絲成分對焊接接頭力學(xué)性能與顯微組織的影響。結(jié)果表明：采用ER5087焊絲焊接的6082-T6鋁合金焊接接頭焊縫區(qū)晶粒更細(xì)??；抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率以及焊接系數(shù)均高于ER5356焊絲焊接的6082-T6鋁合金焊接接頭的；兩種焊絲焊接的6082-T6鋁合金焊接接頭的硬度最低區(qū)域與拉伸斷裂位置均在距離焊縫中心10~15 mm處的熱影響區(qū)，該區(qū)域″強(qiáng)化相聚集長大、粗化，導(dǎo)致析出相強(qiáng)化作用減弱，成為焊接接頭性能最薄弱區(qū)域。

6082-T6鋁合金；MIG焊接；焊絲成分；力學(xué)性能；顯微組織

6082鋁合金屬于中等強(qiáng)度Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的力學(xué)性能、可焊接性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高速列車和城市軌道交通車輛領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)車輛輕量化[1?3]。焊接作為鋁合金連接的主要手段，其焊接接頭性能與焊接方法，焊接工藝，以及焊絲成分密切相關(guān)。目前，鋁合金的焊接方法主要有熔化極氣體保護(hù)焊、變極性等離子弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊、電子束焊等[4?6]。其中，熔化極氣體保護(hù)焊(MIG)具有保護(hù)效果好、熱功率高、適于高效焊接中大厚度鋁合金結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，目前為鋁合金焊接最常用的方法，但由于熱輸入高，易引起焊接接頭軟化，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能降低，影響了其適應(yīng)性[7]。為了提高焊接接頭性能，國內(nèi)外學(xué)者在激光?MIG復(fù)合焊、等離子?MIG復(fù)合焊等復(fù)合焊接技術(shù)[8?10]以及改善焊接速度、補(bǔ)焊技術(shù)、焊后熱處理等焊接工藝[11?13]方面做了大量的研究工作。

焊絲成分是影響焊縫性能的關(guān)鍵因素之一，由于大多數(shù)金屬焊后不再進(jìn)行熱處理，因此在焊絲中添加有利于提高焊接接頭性能的元素非常關(guān)鍵。HUANG等[14]采用Al-6.3Mg-0.35Sc-0.1Zr-0.1Cr 焊絲焊接7A52鋁合金后，發(fā)現(xiàn)鈧元素的加入可使熔合區(qū)晶粒細(xì)化，凝固裂紋傾向降低；YOON等[15]研究了填充焊絲5183A(Al-4%Mg，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，4043A(Al-5%Si)和4047A(Al-12%Si)對6061鋁合金激光焊接性能的影響，結(jié)果表明4047A焊絲可降低凝固裂紋敏感性，使焊接接頭屈服和抗拉強(qiáng)度以及可成形性得到改善；易杰等[16]研究了ER4043焊絲和ER5356焊絲對6061-T6鋁合金薄板MIG焊縫組織與性能的影響，發(fā)現(xiàn)含Cr元素的ER5356焊絲焊接的接頭性能更好；PENG等[17]研究了ER5356焊絲與ER5183(含Zr)焊絲對7020鋁合金焊接接頭力學(xué)性能與腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)后者焊接接頭性能優(yōu)于前者。

6082-T6鋁合金厚板作為高速列車和城市軌道交通車輛的重要結(jié)構(gòu)材料，需采用大量焊接連接，而焊接接頭的性能直接影響了車輛的安全性。目前對焊絲成分與6082-T6鋁合金厚板的焊接接頭組織性能相關(guān)性的研究尚少。本文采用ER5356焊絲和ER5087焊絲對12 mm厚6082-T6鋁合金進(jìn)行MIG焊接，研究不同焊絲對焊縫組織與性能的影響規(guī)律，為提高6082-T6鋁合金MIG焊接接頭性能和可靠性提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

焊接所用基材為12 mm厚6082-T6板材。分別采用ER5356、ER5087焊絲進(jìn)行MIG焊接，為了描述方便，本實(shí)驗(yàn)中，采用ER5356焊絲焊接的6082鋁合金焊接接頭記為焊接接頭1，采用ER5087焊絲焊接的6082鋁合金焊接接頭記為焊接接頭2。實(shí)驗(yàn)所用6082-T6鋁合金與ER5087、ER5356焊絲化學(xué)成分如表1所列。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

MIG焊接采用機(jī)械焊接，保護(hù)氣體為氬氣，試樣采用V形對接接頭，分3道次進(jìn)行焊接。焊接工藝參數(shù)如表2所列，焊接方向垂直于軋制方向。

室溫拉伸力學(xué)性能測試在Instron3369型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為2 mm/min，拉伸方向垂直于焊縫軸線方向，且焊縫的軸線位于試樣平行段的中間；顯微硬度測試在HVS?1000型維氏硬度計(jì)上完成，加載載荷為0.981 N，加載時間為15 s，由焊縫中心向兩側(cè)基材方向每隔1 mm取點(diǎn)測試。

焊接接頭金相顯微組織采用Leica DMIL LED倒置顯微鏡觀察，試樣采用Keller 試劑進(jìn)行腐蝕。TEM觀察在Tecnai G2?20型透射電子顯微鏡上進(jìn)行，試樣經(jīng)機(jī)械減薄后，再雙噴減薄，雙噴腐蝕液HNO3與CH3OH體積比為3:7，溫度為?25~?30 ℃。采用配有能譜儀(EDS)和電子背散射衍射(EBSD)探頭的SIRION200掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌、對斷口第二相粒子成分以及焊縫與基材晶粒結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。EBSD樣品經(jīng)打磨、機(jī)械拋光后，采用EP06型電解拋光腐蝕儀進(jìn)行電解拋光，腐蝕液中HCLO4與CH3OH體積比為1:9。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭硬度分布

兩種焊絲焊接后的焊接接頭顯微硬度分布如圖1所示。從圖中可以看出兩種焊接接頭的硬度分布曲線變化趨勢基本一致，均以焊縫(WZ)中心為對稱軸，近似對稱分布。ER5356、ER5087焊絲焊接接頭均在焊縫中心出現(xiàn)第一個硬度低值，分別約為61HV、63HV；從焊縫中心到熔合線附近，硬度值逐漸上升，且在熔合線附近達(dá)到一個硬度高值，分別約為69HV、71HV；繼續(xù)遠(yuǎn)離焊縫中心，硬度值逐漸降低，進(jìn)入熱影響區(qū)(HAZ)。分別在距焊縫中心13 mm、10 mm附近，出現(xiàn)硬度最低值，約為52HV、54HV；之后隨著離焊縫中心距離的增大，硬度值逐漸增大，約在36 mm、34 mm處，硬度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)入基材區(qū)(BM)，硬度值約為105HV。

由圖1可知，在整個焊縫區(qū)，焊接接頭2的硬度高于焊接接頭1的，且焊接接頭2熱影響區(qū)寬度更小。6082-T6鋁合金焊接接頭熱影響區(qū)受熱循環(huán)的影響，在距離焊縫中心10~15 mm處，形成硬度值最低的區(qū)域。

表1 6082-T6鋁合金與焊絲的化學(xué)成分

表2 6082-T6鋁合金的MIG焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接接頭顯微硬度分布圖

2.2 焊接接頭拉伸力學(xué)性能

6082-T6鋁合金基材和焊接接頭的常溫拉伸力學(xué)性能如表3所列。從表3可以看出：6082鋁合金基材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別為324 MPa、304 MPa和17.9%；焊接接頭1的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為201 MPa、143 MPa，伸長率為5.8%，焊接系數(shù)為0.62；焊接接頭2的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為206 MPa、155 MPa，伸長率為5.9%，焊接系數(shù)為0.64。兩種焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與伸長率均明顯低于基材的，且焊接接頭2的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度高于焊接接頭1的。

表3 6082-T6鋁合金基材和焊接接頭拉伸力學(xué)性能

圖2所示為焊接試樣拉伸斷裂后的宏觀形貌和斷口微觀形貌。由圖2(a)和(d)可知，焊接試樣斷裂前均發(fā)生明顯的頸縮現(xiàn)象，兩種焊接接頭斷裂位置均位于離焊縫中心10~15 mm的熱影響區(qū)，與圖1中該位置表現(xiàn)出最低硬度值相一致，說明該區(qū)域?yàn)楹附咏宇^力學(xué)性能薄弱區(qū)域。由圖2(b)和(e)可看出，兩種焊接接頭斷口均顯示出明顯的韌窩，塑性變形充分，屬于韌性斷裂。焊接接頭2的韌窩更大且更深，韌性更好。韌窩處存在長塊狀粗大第二相粒子，如圖2(e)和(f)所示，且EDS分析結(jié)果如表4所列，可見這些粒子的Mg、Si摩爾比約為2:1，可以認(rèn)為該第二相粒子為Mg2Si相。

表4 焊接接頭第二相粒子成分組成

圖2 焊接接頭拉伸斷口宏觀與微觀形貌

2.3 焊接接頭顯微組織

圖3所示為采用不同焊絲焊接后焊接接頭的金相顯微組織。從圖3(a)和(d)可以明顯看出焊接接頭表現(xiàn)為焊縫區(qū)(WZ)、熔合區(qū)(FZ)與熱影響區(qū)(HAZ)的典型組織特征。焊縫區(qū)呈現(xiàn)出鑄造組織特征，為靠近熔合區(qū)部分柱狀枝晶與焊縫中心的等軸枝晶。圖3(b)和(c)所示為焊接接頭1、焊接接頭2中熔合區(qū)的放大圖。熔合區(qū)可分半熔化區(qū)與未混合區(qū)：靠近基材一側(cè)，存在已熔化的液相以及未熔化的基材，此區(qū)域?yàn)槊黠@的亮白色，組織為粗大的胞狀枝晶，為半熔化區(qū)；靠近焊縫一側(cè)，基材與焊絲已全部熔化，但還未混合，成分與基材基本相同，此區(qū)域組織呈柱狀晶，為未混合區(qū)，兩個區(qū)域的分界線為熔合線。熱影響區(qū)的組織均為纖維狀組織。

對6082鋁合金基材(BM)與兩種焊接接頭焊縫區(qū)(WZ)進(jìn)行EBSD分析，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯缚p處的晶粒為典型的凝固組織，晶粒形態(tài)為等軸晶，基材晶粒呈明顯拉長狀，為典型的加工態(tài)纖維組織。從圖4(a)、(b)中可明顯看出，焊接接頭2焊縫區(qū)的晶粒明顯較焊接接頭1細(xì)小，通過對晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)，如圖4(d)和(e)所示，焊接接頭2焊縫區(qū)的平均晶粒尺寸為28 μm，而焊接接頭1焊縫區(qū)平均晶粒尺寸為 40 μm。

圖4 6082-T6鋁合金焊接接頭焊縫區(qū)與基材EBSD結(jié)果

圖5 6082-T6鋁合金焊接接頭焊接接頭TEM像

3 討論

3.1 焊縫區(qū)組織與性能

焊縫區(qū)由于焊接溫度很高，焊絲熔化冷卻速度很快，溶質(zhì)來不及擴(kuò)散以及均勻化，屬于快速結(jié)晶組織，具有典型的鑄造組織特征。焊縫區(qū)成分主要為焊絲成分，ER5356焊絲與ER5087焊絲均屬于Al-Mg合金，其中ER5087焊絲中含有微量Zr元素。凝固過程中，Zr元素易與Al結(jié)合形成納米級Al3Zr粒子。Al3Zr粒子晶體結(jié)構(gòu)為四方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)==0.4014 nm，=1.735 nm，鋁基體晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，晶格常數(shù)===0.41169 nm，兩者的匹配度高達(dá)99.5%，因此Al3Zr粒子可作為Al的有效異質(zhì)形核核心，促進(jìn)非均勻形核，從而細(xì)化晶粒[20?22]，如圖4所示，焊接接頭2中焊縫區(qū)晶粒明顯細(xì)化。陳和等[23]的研究也表明鋁合金焊縫區(qū)，Al3Zr作為非均勻形核的中心，形成細(xì)小等軸晶，從而細(xì)化晶粒。根據(jù)Hall-Petch 公式：

3.2 熱影響區(qū)組織與力學(xué)性能

在焊接過程中，由于循環(huán)熱的影響，基材中出現(xiàn)熱影響區(qū)。從合金熱影響區(qū)結(jié)果可以看出，距離熔合線距離不同，硬度也不同(見圖2)。熔合線附近的HAZ，溫度高，會有更多的析出相溶解，Mg、Si原子活性高，重新溶回基體，在冷卻速度較快情況下，形成含Mg、Si原子的過飽和固溶體，成為熱影響區(qū)的淬火區(qū)。焊接過程完成后，在自然時效過程中，會析出少量與基體共格的強(qiáng)化相″，硬度值增強(qiáng)；距離熔合線較遠(yuǎn)處的HAZ，受電弧熱影響減弱，只有較少的細(xì)小的第二相溶回基體，形成含Mg、Si原子過飽和固溶體不充分，空位濃度低，在自然時效過程中只有少部分析出，大部分第二相不發(fā)生回溶，有更大的空間聚集長大，發(fā)生粗化，導(dǎo)致硬度降低。在距離焊縫10~15 mm處，極少存在第二相回溶，大部分第二相發(fā)生長大，由于溫度相對較高，粗化的驅(qū)動力充足，″相(Mg2Si)發(fā)生粗化最為嚴(yán)重(見圖5(e)和(f))，平均粒徑達(dá)到25 nm，由位錯繞過機(jī)制可知，隨著粒徑增大，強(qiáng)化效果作用減弱，強(qiáng)度、硬度最低，形成熱影響區(qū)的軟化區(qū)；繼續(xù)遠(yuǎn)離焊縫中心，溫度影響越來越低，粗化程度逐漸減弱，硬度逐漸升高，直到達(dá)到基材區(qū)，硬度趨于平穩(wěn)。

4 結(jié)論

1) 采用ER5087焊絲焊接的6082-T6鋁合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率以及焊接系數(shù)分別達(dá)到206MPa 、155 MPa、5.9%、0.64，均高于ER5356焊絲焊接的6082-T6鋁合金焊接接頭。

2) 采用含Zr元素的ER5087焊絲焊接后，由于Al3Zr粒子的非均勻形核作用，焊接接頭焊縫區(qū)晶粒更細(xì)小。

3) 采用ER5356和ER5087焊絲焊接的6082-T6鋁合金焊接接頭硬度最低點(diǎn)及拉伸斷裂位置均在距離焊縫中心10~15 mm處的熱影響區(qū)。在循環(huán)熱的作用下，該區(qū)域的″強(qiáng)化相聚集長大、粗化，導(dǎo)致強(qiáng)化作用減弱，形成熱影響區(qū)的軟化區(qū)。

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Effect of welding wire composition on microstructure and properties of 6082-T6 aluminum alloy welded joints

JIN Jia-lin1, XU Guo-fu1, 2, LI Yao1, PENG Xiao-yan1, LIANG Xiao-peng1, 2, DENG Ying1, 2, YIN Zhi-min1, 2

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China)

6082-T6 aluminum alloy plates were welded by metal inert welding method (MIG) with ER5356 welding wire and ER5087 welding wire. The effects of welding wire composition on the microstructure and properties of 6082-T6 aluminum alloy welded joints were analyzed by micro hardness and tensile mechanical properties test, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), electron backscatter diffractometry (EBSD) and transmission electron microscopy (TEM). The results show that the grain size of 6082-T6 aluminum alloy welded joints of ER5087 welding wire is finer than that of welded joints of ER5356 welding wire, and the tensile strength, yield strength, elongation and welding coefficient are better than those of welded joints of ER5356 welding wire. The lowest hardness area and tensile fracture position of the 6082-T6 aluminum alloy welded joints are in the heat affected zone at 10?15 mm away from welding center. The strengthening phase′′ aggregates and coarsens, and the strengthening effect is weakened, which becomes the weakest area of the welded joints.

6082-T6 aluminum alloy; MIG welding; welding wire composition; mechanical properties; microstructure

Project(2016B090931004) supported by the Project Science and Research Plan of Guangdong Province, China; Project(51601229) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (CSUZC201812) supported by the Open Sharing Fund of the Large-scale Instruments and Equipments of Central South University, China

2019-05-10;

2019-07-30

LIANG Xiao-peng; Tel: +86-18684894344; E-mail: mselxp@163.com

1004-0609(2020)-01-0001-08

TG146.2

A

10.11817/j.ysxb.1004.0609.2020-39498

廣東省科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016B090931004)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51601229)；中南大學(xué)貴重精密儀器開放共享基金(CSUZC201812)

2019-05-10；

2019-07-30

梁霄鵬，副教授，博士；電話：18684894344；E-mail：mselxp@163.com

(編輯 龍懷中)