船用5083鋁合金MIG焊工藝適應(yīng)性及組織性能分析

孫桂陽(yáng)，王 雷，邵丹丹，張 亮，李武凱，夏?，|

1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715

2.中國(guó)船級(jí)社廣州分社，廣東 廣州 510220

0 前言

“中國(guó)制造2025”提出的輕量化、低能耗已成為焊接領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一［1］。鋁合金密度為鋼鐵的1/3，在保證結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)需求的強(qiáng)度條件下，鋁合金具有十分突出的減重效果，是促進(jìn)輕量化、低能耗最有效的材料之一。5083鋁合金是Al-Mg系非熱處理強(qiáng)化鋁合金，中等強(qiáng)度，當(dāng)與適當(dāng)成分的填加金屬配合時(shí)，可焊性很好，具有強(qiáng)度高、抗切削性良好等特點(diǎn)，廣泛用于制造船體以及飛機(jī)、車輛的鈑金件等，常用的焊接方法有氬弧焊、攪拌摩擦焊、激光焊等。焊接薄板時(shí)宜選用TIG焊，焊接大、中厚板時(shí)一般選用MIG焊［2-4］。但船用鋁合金MIG焊時(shí)由于熱輸入量偏大會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形和接頭軟化現(xiàn)象，影響船舶制造質(zhì)量，且需要較長(zhǎng)的矯正時(shí)間，生產(chǎn)效率低。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)5083鋁合金的焊接工藝進(jìn)行了大量研究［5-7］。

朱達(dá)新等人［8］開(kāi)展TIG焊接工藝試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)焊接方法、焊材的選擇、保護(hù)氣體、焊前準(zhǔn)備、工藝要求等進(jìn)行了研究，獲得了最佳的焊接工藝參數(shù)。研究結(jié)果表明，通過(guò)采用ER5183焊絲、多功能氬弧焊機(jī)、開(kāi)V型坡口、焊前預(yù)熱以及采用小線能量操作，試驗(yàn)所獲得的焊縫在無(wú)損探傷及力學(xué)性能等方面均能滿足CCS標(biāo)準(zhǔn)的要求。喻亮等人［9］采用5183焊絲作為填充材料，對(duì)3 mm厚的5083鋁合金對(duì)接接頭進(jìn)行光纖激光填絲焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用離焦量0 mm，激光功率4 100W，焊接速度4.2 m/min，送絲速度3 m/min的工藝參數(shù)焊接3 mm厚5083鋁合金，可獲得高質(zhì)量焊縫，焊縫硬度達(dá)HV60以上，未出現(xiàn)接頭軟化，拉伸試驗(yàn)斷裂位置為母材，焊縫強(qiáng)度高于母材。雷小偉等人［10］采用冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)對(duì)5083鋁合金進(jìn)行平板堆焊試驗(yàn)，分析脈沖熔化極氣體保護(hù)焊、直流/變極性冷金屬過(guò)渡焊、直流/變極性冷金屬混合脈沖過(guò)渡對(duì)焊縫成形的影響，結(jié)果顯示，采用冷金屬過(guò)渡混合脈沖焊得到的焊縫成形美觀，微氣孔數(shù)量最低，焊縫力學(xué)性能略優(yōu)，焊縫組織均為α（Al）、顆粒狀析出相和彌散相組織。李瑞武等人［11］研究了30 mm厚鋁合金5083板材雙面對(duì)接焊不同焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度的焊接參數(shù)組合對(duì)焊接接頭成型質(zhì)量及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)焊接參數(shù)處于旋轉(zhuǎn)速度為400～600 r/min，焊接速度為80～120 mm/min的工藝參數(shù)窗口內(nèi)時(shí)，可以獲得焊縫成型質(zhì)量與抗拉性能優(yōu)異的焊縫。

目前，有關(guān)5083鋁合金MIG焊的工藝適應(yīng)性、微觀組織和力學(xué)性能的系統(tǒng)性研究鮮有報(bào)道［12-14］。本文選用5083鋁合金，采用MIG焊進(jìn)行工藝適應(yīng)性研究，通過(guò)焊接接頭宏觀形貌、金相組織、力學(xué)性能，不同焊接間隙和錯(cuò)邊量對(duì)MIG焊工藝適應(yīng)性的影響，進(jìn)一步得出5083鋁合金MIG焊對(duì)母材間隙和錯(cuò)邊的要求，對(duì)指導(dǎo)鋁合金工程化應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

母材為退火（O）狀態(tài)的5083鋁合金，尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，填充材料為直徑1.2 mm的ER5356鋁合金焊絲。母材的力學(xué)性能如表1所示，母材和焊絲的化學(xué)成分如表2所示。

表1 母材的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of base metal

表2 母材及焊絲的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Main chemical composition of base metal and welding wire（wt.%）

焊接設(shè)備為自主研發(fā)的焊接夾具和Fronius TPS-4000 CMT焊機(jī)，使用內(nèi)置專家數(shù)據(jù)庫(kù)，整合送絲速度、焊接電流、電弧電壓形成一元化弧焊參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，最大送絲速度22 m/min。工作臺(tái)以及夾具等如圖1所示。保護(hù)氣體為99.999%的高純氬氣，采用表3工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了6 mm厚對(duì)接板單層單道MIG焊接。焊接接頭坡口形式如圖2所示，其中b為間隙尺寸。

圖1 焊接示意Fig.1 Welding diagram

圖2 焊接接頭示意Fig.2 Schematic diagram of welded joints

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters

焊后制取金相及力學(xué)性能試樣，取樣位置及數(shù)量如圖3所示。拉伸和彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)分別按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)》執(zhí)行。拉伸試樣從垂直于焊縫方向截取，焊縫位于試樣中心，拉伸試樣尺寸如圖4所示。彎曲試樣從垂直于焊縫方向截取，分別取背彎和正彎各一組，試樣尺寸如圖5所示。射線探傷參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3323.1《焊縫無(wú)損檢測(cè)射線檢測(cè)第1部分：X和伽瑪射線的膠片技術(shù)》。硬度試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》，所有測(cè)試點(diǎn)位置均位于母材厚度的1/2處，如圖6所示。具體如下：點(diǎn)1位于焊縫中心，點(diǎn)3位于熔合線，點(diǎn)2位于點(diǎn)1與點(diǎn)3中間，點(diǎn)3之后每間隔1 mm取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

圖3 焊接接頭取樣位置示意Fig.3 Sampling position of welded joints

圖4 焊接接頭拉伸試樣尺寸（單位：mm）Fig.4 Tensile specimen size of welded joints

圖5 焊接接頭彎曲試樣尺寸（單位：mm）Fig.5 Size of bend specimen of welded joint

圖6 顯微硬度示意（單位：mm）Fig.6 Microhardness Diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌及X射線檢測(cè)分析

間隙為0時(shí)的焊接接頭宏觀形貌如圖7所示，焊縫成形均勻美觀、一致性較好，無(wú)裂紋、咬邊等缺陷。焊接接頭X射線檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，未出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾渣和未熔合等缺陷。

圖7 焊接接頭宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of welded joint

圖8 焊縫X射線檢測(cè)結(jié)果Fig.8 X-ray inspection results of welds

2.2 工藝適應(yīng)性

2.2.1 間隙適應(yīng)性試驗(yàn)

為探究5083鋁合金MIG焊對(duì)接接頭間隙適應(yīng)性，在焊接工藝參數(shù)不變的情況下，通過(guò)點(diǎn)焊預(yù)置對(duì)接間隙分別為1 mm、2 mm、3 mm和4 mm，研究對(duì)接間隙對(duì)焊縫成形的影響。不同間隙下的焊接接頭宏觀形貌如圖9所示，試板間隙為1～4 mm時(shí)，焊絲均能良好填充，焊縫表面成形均勻，無(wú)夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。這是因?yàn)殡S著焊接間隙的增大，焊縫余高逐漸降低，當(dāng)試板間隙3～4 mm時(shí)完全填充，導(dǎo)致正面余高較低，背部成形較差，不能形成穩(wěn)定焊道。隨著間隙尺寸的增大，電弧作用于工件的面積也增大，維持電弧的穩(wěn)定性難度增大，從而導(dǎo)致焊接過(guò)程穩(wěn)定性變差，同時(shí)在焊接過(guò)程中熔池受到重力和表面張力的共同作用，間隙過(guò)大使得液態(tài)熔融金屬最終受到向下的合力引起液態(tài)熔池金屬下流，從而導(dǎo)致焊縫背面難以成形?？梢?jiàn)5083鋁合金MIG焊具有良好的間隙工藝適應(yīng)性，板厚6 mm情況下對(duì)焊縫間隙容忍能力可達(dá)母材厚度的66.6%。

圖9 不同裝配間隙下的焊接接頭宏觀形貌Fig.9 Macro morphology of welded joints under different assembly clearances

2.2.2 錯(cuò)邊適應(yīng)性試驗(yàn)

通過(guò)點(diǎn)焊預(yù)置對(duì)接錯(cuò)邊分別為1 mm、2 mm和3 mm，在焊接工藝參數(shù)不變的情況下，研究對(duì)接錯(cuò)邊對(duì)焊縫成形的影響。不同錯(cuò)邊量的焊接接頭宏觀形貌如圖10所示，在試板間隙1～2 mm范圍內(nèi)，焊絲能良好填充，焊縫表面成形均勻，無(wú)夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。隨著錯(cuò)邊量的增大，焊縫余高逐漸降低，試板錯(cuò)邊量為3 mm時(shí)完全填充，導(dǎo)致正面余高較低，背部成形較差。這是因?yàn)殡S著錯(cuò)邊量的增大，焊縫兩側(cè)高度差異增大，當(dāng)電弧攀爬到焊縫某一位置高處時(shí)發(fā)生短路過(guò)渡，會(huì)需要更多的能量來(lái)維持電弧的穩(wěn)定性，因而電弧電壓升高導(dǎo)致電弧被拉長(zhǎng)，電流數(shù)值下降，但此時(shí)的焊接電流和電壓并不是電弧穩(wěn)定工作需要的參數(shù)，在等速送絲的電弧調(diào)節(jié)作用下，焊絲熔化速度小于焊絲送進(jìn)速度，最終導(dǎo)致焊縫背部成形變差。可見(jiàn)5083鋁合金MIG焊具有良好的錯(cuò)邊工藝適應(yīng)性，板厚6 mm情況下，對(duì)焊縫間隙容忍能力可達(dá)母材厚度的50%。

圖10 不同錯(cuò)邊量下的焊接接頭宏觀形貌Fig.10 Macro morphology of welded joint under different unfitness

2.3 焊接接頭組織性能

0間隙、0錯(cuò)邊條件下焊接接頭顯微組織如圖11所示。結(jié)合Al-Mg相圖可知，焊縫區(qū)顯微組織主要為α-Al相和β-Al3Mg2相，強(qiáng)化相分布較為細(xì)小均勻，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中焊縫區(qū)金屬吸收大量的熱量而熔化，凝固時(shí)由于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱較快，加快了焊縫區(qū)液態(tài)金屬的凝固速度，從而導(dǎo)致焊縫區(qū)晶粒細(xì)化。熔合區(qū)顯微組織如圖11c所示，焊接接頭熔合區(qū)與焊縫區(qū)相比，其晶粒更加粗大，這可能是因?yàn)槿酆蠀^(qū)緊靠熔合線，受到高溫作用后晶粒發(fā)生聚集長(zhǎng)大［15］。母材組織如圖11d所示，呈纖維狀，主要由α-Al相和少量的析出強(qiáng)化相組成，原因是母材軋制加工使得晶粒沿變形方向拉長(zhǎng)，形成纖維組織［16］。

圖11 焊縫接頭顯微組織Fig.11 Microstructure of weld joint

2.4 焊接接頭（0間隙）力學(xué)性能

2.4.1 拉伸性能

5083鋁合金焊接接頭的拉伸性能如表4所示，兩個(gè)試樣均斷裂在熔合區(qū)。熔合區(qū)為焊縫細(xì)晶區(qū)和熱影響區(qū)粗晶區(qū)的過(guò)渡區(qū)，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，且顯微硬度在熔合區(qū)附近最低，此位置為低強(qiáng)度向高強(qiáng)度過(guò)渡的薄弱區(qū)，在拉應(yīng)力的作用下易發(fā)生斷裂。試樣抗拉強(qiáng)度分別為271 MPa和256 MPa，平均抗拉強(qiáng)度263.5 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的94.1%，滿足船級(jí)社使用標(biāo)準(zhǔn)。

表4 焊接接頭拉伸測(cè)試結(jié)果Table 4 Tensile test results of welded joints

2.4.2 彎曲性能

焊接接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖12、表5所示。彎曲試樣表面較光滑，經(jīng)180°正彎和背彎試驗(yàn)均未出現(xiàn)明顯的裂紋，焊接接頭僅存在小于1 mm的微裂紋，彎曲性能良好，滿足船級(jí)社使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 彎曲試樣Fig.12 Bending sample

表5 焊接接頭彎曲測(cè)試結(jié)果Table 5 Bending test results of welded joints

2.4.3 顯微硬度

焊接接頭顯微硬度分布曲線如圖13所示，加載載荷為1 N，加載時(shí)間10 s。由圖13可知，焊接接頭經(jīng)過(guò)熱循環(huán)作用后，沿焊縫中心處向母材方向，硬度值呈現(xiàn)出先降低后增大的現(xiàn)象，到母材處較為穩(wěn)定，焊縫熔合區(qū)最低硬度值低于70 HV，焊縫中心位置硬度均值為73 HV，母材硬度均值約為78 HV。焊縫中心硬度值低于母材是由于在焊接過(guò)程中，溫度較高的ER5356焊絲中的Mg元素發(fā)生燒損，導(dǎo)致主要強(qiáng)化的合金元素含量降低；熔合區(qū)處和近焊縫熱影響區(qū)的硬度值低可能為：熱影響區(qū)受到高溫?zé)嵫h(huán)的作用，顯微組織中的強(qiáng)化相會(huì)重新固溶回到基體中，使得強(qiáng)化效果減弱，熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象；熱影響區(qū)硬度值較母材低的原因可能為：熱影響區(qū)受熱循環(huán)的作用，發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，使軋制態(tài)產(chǎn)生的位錯(cuò)消失，從而導(dǎo)致硬度值降低。相較于熱處理強(qiáng)化鋁合金焊接接頭，接頭軟化現(xiàn)象不太明顯［17］。

圖13 顯微硬度分布曲線Fig.13 Microhardness distribution curve

3 結(jié)論及展望

（1）通過(guò)對(duì)不同裝配間隙和錯(cuò)邊5083鋁合金MIG焊工藝適應(yīng)性研究，得到工藝適應(yīng)性區(qū)間：當(dāng)接頭間隙在1～4 mm范圍內(nèi)，錯(cuò)邊在1～3 mm范圍內(nèi)，焊縫成形良好。5083鋁合金MIG焊接方法工藝適用性較好，生產(chǎn)效率較高，除可以復(fù)合激光進(jìn)行焊接外，進(jìn)行TIG-MIG雙電弧共熔池進(jìn)行鋁合金焊接也是未來(lái)的發(fā)展方向。

（2）焊接接頭各區(qū)域顯微組織分布較為明顯，焊縫區(qū)主要為α-Al相和β-Al3Mg2相，熱影響區(qū)組織相比于焊縫區(qū)出現(xiàn)一定的粗化長(zhǎng)大現(xiàn)象。

（3）焊接接頭的硬度值以焊縫為中心呈對(duì)稱分布，熔合線附近硬度值最低約為70 HV，遠(yuǎn)離熔合線硬度值逐漸增大達(dá)到母材處穩(wěn)定約為78 HV。焊接接頭抗拉強(qiáng)度較好，強(qiáng)度系數(shù)為0.941，并具有良好的抗彎曲能力。