不同焊絲對(duì)6061鋁合金MIG焊縫組織和性能的影響

冉啟洪，李 佳，許 紅，張 雷，冉令坤，邢曉燕

(重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400020)

作為電池組的載體，電池包起著保護(hù)電池組安全的關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)電池包的材料多為鋼材，電池包的輕量化作為電動(dòng)車輕量化中的重要一環(huán)，CHEN、汪佳龍等[1-5]對(duì)電池包下箱體從材料層面進(jìn)行了輕量化方面的研究。

以某電池包為研究對(duì)象，其總體模型如圖1所示。由圖1可見，電池包由上箱體、下箱體、底板加強(qiáng)板和支架四部分組成。將電池包Q235鋼材料替換為6061鋁合金后(圖1中下箱體與支架為6061鋁型材，其余為鋁合金板材)，電池包的重量減少了34.2 kg，減重比例達(dá)到36%。研制鋁合金輕量化電池包的關(guān)鍵是保證電池包內(nèi)各鋁合金組件間的焊接質(zhì)量。本試驗(yàn)采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG焊)對(duì)6061鋁合金電池包進(jìn)行焊接，探討不同焊絲對(duì)焊縫組織和性能的影響。

圖1 某電池包總體模型Fig.1 The 3D model of a battery pack

1 試驗(yàn)方法

輕量化鋁合金電池包材料為6061鋁合金。采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊絲選用4043、5356、6061和6101四種鋁合金焊絲，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材及四種鋁合金焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of the base metal and four kinds of aluminum alloy welding wires(wt/%)

1.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)包括鋁合金板材拉伸試驗(yàn)與焊接試樣拉伸試驗(yàn)。板材拉伸試驗(yàn)所用鋁合金板材厚度為3.0 mm，按照GB/T 228-2010標(biāo)準(zhǔn)在CMT5305拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。在焊接試樣拉伸試驗(yàn)中，分別對(duì)采用4043、5356、6061、6101鋁合金焊絲的焊接試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試。

1.2 焊縫、熱影響區(qū)以及母材的硬度測(cè)試

焊接接頭微區(qū)力學(xué)性能無法通過拉伸試驗(yàn)測(cè)量，因此本研究采用測(cè)量接頭處維氏硬度(HV0.5)的分布來反映接頭的力學(xué)性能。為避免接頭位置的組織突變導(dǎo)致硬度波動(dòng)，在同一區(qū)域測(cè)量3次取其平均值。

1.3 焊接接頭的金相組織觀察

本次研究中，利用低倍顯微鏡首先對(duì)采用4043、5356、6061、6101鋁合金焊絲焊接接頭關(guān)鍵部位金相組織進(jìn)行觀察，其次對(duì)焊接區(qū)、焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)的金相組織進(jìn)行觀測(cè)，最后將放大倍數(shù)從100倍變?yōu)?00倍，對(duì)采用5356鋁合金焊絲的鋁合金焊接接頭的金相組織進(jìn)行更細(xì)致的觀測(cè)。

1.4 焊接試樣腐蝕測(cè)試

為研究腐蝕對(duì)鋁合金焊接試樣的影響，對(duì)采用4043、5356、6061、6101鋁合金焊絲焊接的試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕介質(zhì)為酸性鹽霧介質(zhì)，其配方為在5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯化鈉溶液中加入一些冰醋酸，調(diào)整介質(zhì)濃度直至溶液的pH值為3左右，腐蝕時(shí)間分別為12 h、24 h、96 h、168 h，并記錄合金焊接試樣在不同時(shí)間腐蝕后的宏觀形貌。

1.5 焊接試樣疲勞試驗(yàn)

為滿足電池包殼體開發(fā)對(duì)鋁合金材料耐久性能的要求，在上述焊縫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試結(jié)果基礎(chǔ)上，擇優(yōu)選擇最佳焊絲焊接樣品，進(jìn)一步進(jìn)行焊縫疲勞性能試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)按照GB/T 26957-2011標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，使用的設(shè)備為PLG200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)。焊縫疲勞試樣如圖2所示。

圖2 鋁合金搭接焊件試樣Fig.2 The lap joint sample of aluminum alloy

隨后利用PLG200高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁合金搭接焊件進(jìn)行軸向力控制的疲勞試驗(yàn)，獲得不同最大應(yīng)力水平下的疲勞壽命，并擬合出S-N曲線。試驗(yàn)全程采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，疲勞周次由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，疲勞加載模式為拉-拉加載，試驗(yàn)加載譜為正弦波，載荷比R=0.1，疲勞失效判據(jù)為試樣開始出現(xiàn)疲勞裂紋。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

所選6061鋁合金在0°、45°、90°的拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖3。由圖3可見，屈服強(qiáng)度約為254.27 N/mm2，抗拉強(qiáng)度約為305.12 N/mm2，斷后伸長率約為15.76%，具有較高的強(qiáng)度和較好的塑性，因此適用于輕量化鋁合金電池包的開發(fā)。

圖3 6061鋁合金材料的拉伸真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線Fig.3 True stress-strain curves of 6061aluminum alloy

使用4043、5356、6061、6101鋁合金焊絲的鋁合金焊接接頭宏觀狀態(tài)如圖4所示。由圖4可見，采用5356鋁合金焊絲的焊接接頭焊縫細(xì)長、焊接寬度窄、表面型面良好、局部有少量焊瘤；采用其他三種焊絲的焊接接頭表面型面凹凸不齊、焊縫較寬、外觀形貌不良，尤其是使用6061鋁合金焊絲和6101鋁合金焊絲的焊接接頭焊縫寬度不齊、邊緣存在縮溝、焊縫中間存在裂紋。綜合整體焊接接頭外觀質(zhì)量，使用5356鋁合金焊絲焊接的焊縫質(zhì)量最好，達(dá)到焊接要求。

鋁合金焊接試樣的拉伸測(cè)試結(jié)果如表2所示。只有用5356焊絲的接頭斷裂位置在母材上，用4043、6061和6101焊絲的均斷在焊縫處；從拉伸性能來看，5356焊縫接頭抗拉強(qiáng)度最高(達(dá)到141 N/mm2)，4043、6101和6061的依次降低，這說明5356焊絲接頭性能不低于母材，這可能與合金元素Mg有關(guān)系。

圖4 不同焊絲焊接6061鋁合金焊接接頭的宏觀形貌Fig.4 Macroscopic feature of 6061 aluminum alloy welded joint using different welding wires

表2 不同焊絲焊接6061鋁合金焊接接頭的拉伸強(qiáng)度Table 2 Tensile strength of 6061 aluminum alloy welded joints with different welding wires

2.2 硬度測(cè)試結(jié)果與分析

焊接試樣的硬度測(cè)試情況如圖5所示?？梢钥闯?，5356焊絲接頭整體硬度分布低于其他三種焊絲接頭，但母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的硬度相對(duì)一致；相比而言，4043、6061和6101焊絲的焊縫區(qū)的硬度均超過母材硬度約15 HV～20 HV，這代表著焊縫區(qū)的強(qiáng)度要大于母材，這與前述的拉伸性能數(shù)據(jù)矛盾，并且這三種焊絲制作的焊接件斷裂均發(fā)生在焊縫處，說明焊縫可能存在缺陷。

圖5 不同焊絲焊接6061鋁合金焊接接頭的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of 6061 aluminum alloy welded joints with different welding wires

2.3 金相組織觀測(cè)結(jié)果與分析

利用低倍顯微鏡對(duì)采用4043、5356、6061、6101鋁合金焊絲的焊接接頭關(guān)鍵部位金相組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖6所示。采用6061和6101鋁合金焊絲的焊接接頭的宏觀裂紋比較明顯，相比之下，采用4043和5356鋁合金焊絲的焊接接頭基本無裂紋，接頭組織更好。

圖6 不同焊絲焊接6061鋁合金焊接接頭的金相組織Fig.6 Microstructures of 6061 aluminum alloy welded joints with different welding wires

利用低倍顯微鏡對(duì)焊接區(qū)、焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)的金相組織進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖7所示?？梢?，采用4043和5356焊絲的焊接接頭鑄造組織比較明顯。

由上述分析可得，采用5356鋁合金焊絲進(jìn)行焊接可得到最優(yōu)的焊接質(zhì)量，焊縫微觀組織為(α+Si)共晶組織，同時(shí)存在少許初晶硅顆粒。

圖7 不同焊絲焊接6061鋁合金焊接接頭不同區(qū)域的金相組織Fig.7 Microstructures of aluminum alloy welded joints with different welding wires in different areas

2.4 焊接試樣腐蝕測(cè)試結(jié)果與分析

鋁合金焊接試樣在不同腐蝕時(shí)間下的腐蝕結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，鋁合金試件焊縫表面在腐蝕一段時(shí)間后出現(xiàn)了白色顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物，當(dāng)腐蝕時(shí)間為12 h時(shí)，焊縫表面無腐蝕膜，焊縫和母材的顏色與腐蝕前差別不大；當(dāng)腐蝕時(shí)間為24 h 時(shí)，焊接熱影響區(qū)表面有淺灰色腐蝕膜出現(xiàn)；當(dāng)腐蝕時(shí)間為96 h時(shí)，焊縫表面有灰色腐蝕膜，焊縫、母材均出現(xiàn)白色顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物；當(dāng)腐蝕時(shí)間為168 h時(shí)，焊縫表面顏色加深，逐漸變?yōu)榛液谏?，并且白色顆粒狀腐蝕產(chǎn)物增多，但并沒有出現(xiàn)起泡現(xiàn)象。可見經(jīng)腐蝕測(cè)試后的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)均出現(xiàn)變色現(xiàn)象，但并沒有發(fā)生明顯的腐蝕，因此本研究中的鋁合金焊件耐腐蝕性能滿足要求。

2.5 焊接試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果與分析

一般對(duì)于具體材料，其不同力學(xué)性能之間具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具有最佳靜態(tài)拉伸力學(xué)性能的材質(zhì)往往也擁有最佳的動(dòng)態(tài)疲勞、沖擊性能。因此本研究中基于靜態(tài)測(cè)試結(jié)果，只選取強(qiáng)-塑性最優(yōu)的用5356焊絲制作的焊接件進(jìn)行疲勞測(cè)試。利用PLG200

高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁合金搭接焊件進(jìn)行軸向力控制的疲勞試驗(yàn)，獲得不同最大應(yīng)力水平下的疲勞壽命，并擬合出S-N曲線，如圖9所示。在不同最大應(yīng)力水平下，鋁合金焊件表現(xiàn)出較長的疲勞壽命，因此該電池包鋁合金焊件具有較好的疲勞性能，可在實(shí)際工況中保持良好的工作狀態(tài)。

3 結(jié) 論

1)分別使用4043、5356、6061、6101鋁合金焊絲焊接6061鋁合金，其中采用5356鋁合金焊絲焊接的焊縫細(xì)長、焊接寬度窄、外觀質(zhì)量最好，同時(shí)也具有最好的抗裂紋能力。

2)5356鋁合金焊絲與6061鋁合金母材的匹配性較好，母材與焊接接頭熱影響區(qū)及焊縫的強(qiáng)度、塑性比較接近，焊縫的應(yīng)力也較小，因此適用于輕量化鋁合金電池包的焊接。

3)采用5356鋁合金焊絲焊接的接頭的金相組織中基本無裂紋，接頭組織更優(yōu)良。

4)焊接試樣經(jīng)腐蝕后，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)均出現(xiàn)變色現(xiàn)象，但并沒有發(fā)生明顯的腐蝕，滿足耐腐蝕性能要求。

5)焊件表現(xiàn)出優(yōu)良的疲勞性能，可使電池包在實(shí)際工況中保持良好的工作狀態(tài)。