送絲速度對(duì)5083鋁合金等離子-MIG復(fù)合焊接頭性能的影響

孫家?guī)?，張焱，零的?yīng)，姚宗湘，尹立孟，王剛，陳玉華

摘要：對(duì)厚度5 mm的5083鋁合金進(jìn)行等離子-MIG復(fù)合焊接，研究不同送絲速度對(duì)焊縫成形與焊接接頭性能的影響，分析接頭的微觀組織，并測(cè)試接頭的力學(xué)性能。結(jié)果表明：送絲速度為7 m/min、9 m/min時(shí)均可獲得無(wú)明顯缺陷的焊接接頭，送絲速度增大，余高略有增加;送絲速度為9 m/min的焊接接頭焊縫區(qū)的樹枝狀晶更加細(xì)小，接頭硬度分布呈“ W ”形，焊縫區(qū)和熔合區(qū)的平均硬度均低于母材，距焊縫中心3～4 mm處的熔合區(qū)硬度最低，送絲速度為7 m/min時(shí)，其接頭軟化現(xiàn)象更為顯著。兩種送絲速度下的接頭拉伸斷裂均出現(xiàn)在熔合區(qū)附近，送絲速度為9 m/min的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于7 m/min的，斷裂形式均為韌性斷裂。

關(guān)鍵詞：5083鋁合金;等離子-MIG焊; 顯微組織;力學(xué)性能;軟化

中圖分類號(hào)：TG457.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0143-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.24

0? ? 前言

鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易成型和耐腐蝕等性能[1-2]，在軌道交通、汽車、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。5系鋁合金為Al-Mg系合金，具有良好的耐蝕性、加工性和焊接性，其最常用的焊接方法是MIG焊，激光焊和攪拌摩擦焊等先進(jìn)焊接方法也有應(yīng)用[3]。傳統(tǒng)熔化焊焊接鋁合金時(shí)，熱輸入較大，存在焊接變形大、接頭軟化嚴(yán)重、易產(chǎn)生氣孔等問(wèn)題，影響接頭的使用性能。

等離子-MIG復(fù)合焊是將等離子弧與MIG電弧有機(jī)復(fù)合形成的一種高效優(yōu)質(zhì)、低成本的焊接技術(shù)，具有熔深大、熔覆效率高等特點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)等離子復(fù)合焊接開展了研究[4-12]。Ono[5]等研究了A5052鋁合金等離子-MIG復(fù)合焊，發(fā)現(xiàn)等離子電流大小可以改變鋁合金焊縫表面形貌。劉正[6]等研究了厚16 mm的6005鋁合金的等離子-MIG復(fù)合焊工藝，發(fā)現(xiàn)開雙面V型80°坡口、中間留4 mm鈍邊，能單側(cè)一次性焊透。楊濤[7]對(duì)2219鋁合金采用等離子-MIG復(fù)合焊，發(fā)現(xiàn)焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)顯著提高，焊接熱裂紋傾向減弱。邵盈愷[8]研究了7075鋁合金等離子-MIG復(fù)合焊工藝，建立了焊接參數(shù)與焊縫熔深之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入的增加，焊接熱裂紋敏感性呈先降低后升高的變化規(guī)律，裂紋類型由母材部分熔化區(qū)的液化裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)楹缚p金屬區(qū)的結(jié)晶裂紋。霍海龍[9]等采用旁軸式等離子-MIG焊接方法研究了20 mm厚的5083鋁合金焊縫組織，發(fā)現(xiàn)焊縫頂部晶粒尺寸與底部存在明顯差異，頂部晶粒尺寸小于底部。魏波[10]等研究了6061鋁合金等離子-MIG焊接頭的微觀組織，發(fā)現(xiàn)了與文獻(xiàn)[9]類似的現(xiàn)象。石磊[11]等對(duì)厚10 mm的5A06鋁合金進(jìn)行了等離子-MIG焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)的微觀組織與MIG焊相差不大。目前，針對(duì)等離子-MIG焊接鋁合金方面雖然取得了一些成果，但鋁合金中薄板等離子-MIG焊接工藝的研究還相當(dāng)欠缺。

文中采用同軸式等離子和MIG電弧進(jìn)行復(fù)合，對(duì)厚5 mm的5083鋁合金進(jìn)行焊接，對(duì)比研究不同送絲速度對(duì)焊接接頭組織和性能的影響，探討焊接接頭的斷裂機(jī)制，為5083鋁合金的焊接工藝提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?083鋁合金板，板材尺寸300 mm×

100 mm×5 mm，采用不開坡口的對(duì)接接頭，接頭間隙1 mm。焊接材料為直徑1.2 mm的ER5356焊絲。5083鋁合金及ER5356焊絲的化學(xué)成分如表1所示。采用單面焊雙面成型，工件接負(fù)極，保護(hù)氣體為純度99.999%的氬氣，主要焊接工藝參數(shù)如表2所示。

焊接前，采用砂紙清除鋁合金試樣對(duì)接面30 mm范圍內(nèi)的表面氧化膜，然后用酒精將工件待焊處清洗干凈。焊接后的試樣采用線切割沿橫截面處切取金相、硬度和拉伸試樣，并進(jìn)行微觀組織和力學(xué)性能分析。金相試樣采用Keller試劑（1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O）進(jìn)行腐蝕，然后利用萊卡DM-2500M金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析;參照GB/T 2654-2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》，采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)定其接頭顯微硬度，加載載荷500 g，加載時(shí)間10 s，維氏硬度測(cè)試點(diǎn)位置為焊縫正面距離母材表面約2 mm處，由焊縫中心向兩側(cè)每隔1 mm取點(diǎn)測(cè)試;在垂直焊縫方向取拉伸標(biāo)準(zhǔn)樣，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率1 mm/min，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)斷口形貌進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

送絲速度分別為7 m/min和9 m/min的焊縫表面

形貌如圖1所示，焊縫表面為連續(xù)均勻的魚鱗狀，成

形良好，無(wú)明顯缺陷。送絲速度為9 m/min時(shí)，余高為2.20 mm，較送絲速度為7 m/min時(shí)的2.05 mm略有增加，而兩者的熔寬相差不大。焊縫橫截面處氣孔分布宏觀形貌如圖2所示，有少量氣孔（圖中白點(diǎn)）分布于焊縫靠近頂部位置。文獻(xiàn)[13]研究表明，氣孔的大小和分布情況與送絲速度關(guān)系不大，鋁合金焊接產(chǎn)生氣孔是不可避免的，主要原因是鋁在凝固過(guò)程中氫的溶解度急劇減弱而氫氣來(lái)不及溢出所致。

2.2 顯微組織

兩種不同送絲速度下5083鋁合金焊接接頭的金相顯微組織如圖3所示。兩種參數(shù)下的焊接接頭均表現(xiàn)為焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織特征，各區(qū)域顯微組織形貌較為相似。圖3a為母材微觀組織，呈現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)的纖維狀軋制組織，結(jié)合Al-Mg合金相圖分析，該合金的基體組織是Al-Mg固溶組織，還存在第二相粒子β（Al3Mg2）和少量雜質(zhì)相，組織較為致密，易于焊接。焊縫區(qū)為典型的鑄造組織，焊縫中心呈樹枝狀晶，如圖3b、3d所示，這是由于在焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)金屬吸收了大量的熱量熔化，冷卻時(shí)由于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱快，焊縫中心處過(guò)冷度大，從而形成細(xì)小的等軸樹枝狀晶組織[14]。熔合區(qū)主要呈柱狀晶組織，如圖3c、3e所示。熱影響區(qū)是具有方向性的、外延生長(zhǎng)的柱狀晶，與母材區(qū)相比，晶粒明顯粗大。與送絲速度7 m/min時(shí)相比，送絲速度9 m/min時(shí)熔合區(qū)寬度略窄，焊縫區(qū)等軸樹枝狀晶也更均勻細(xì)小。這是因?yàn)楫?dāng)焊接速度和等離子電流一定時(shí)，送絲速度增大，熔化焊絲需要的熱量越多，導(dǎo)致輸入熔池內(nèi)的熱量減少。

2.3 接頭顯微硬度

不同焊接接頭的硬度分布如圖4所示。由圖4可知，接頭的硬度分布呈“ W ”形，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的平均維氏硬度均低于母材，在距離焊縫中心約3 mm處，接頭硬度出現(xiàn)最低值56.5 HV（送絲速度為7 m/min），約為母材的76%，存在顯著的軟化現(xiàn)象。出軟化區(qū)遠(yuǎn)離焊縫中心位置后，接頭硬度逐漸恢復(fù)。送絲速度為9 m/min時(shí)，接頭各區(qū)域的平均硬度值與7 m/min時(shí)相近。鋁合金在焊接過(guò)程中受到焊接熱循環(huán)的影響，會(huì)造成焊接接頭熱影響區(qū)及焊縫的硬度減小，即出現(xiàn)焊接接頭軟化現(xiàn)象，主要原因是焊接過(guò)程中的高溫會(huì)使Mg元素蒸發(fā)，導(dǎo)致焊縫中的固溶效果減弱[14]。在焊接速度和等離子電流不變的情況下，送絲速度越大，輸入熔池內(nèi)的熱量就越少，而填絲量增加。因此相比于7 m/min的送絲速度，送絲速度9 m/min所形成的熱影響區(qū)要略窄些，硬度變化稍快。

2.4 接頭拉伸性能及斷口分析

5083母材及1#試樣和2#試樣的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。當(dāng)送絲速度為7 m/min時(shí)，平均抗拉強(qiáng)度為255 MPa，延伸率為11.1%，分別達(dá)到母材的79.5%和61.0%;當(dāng)送絲速度為9 m/min時(shí)，平均抗拉強(qiáng)度為268 MPa，延伸率為12%，達(dá)到了母材的83.5%和65.9%。斷裂位置發(fā)生在熔合區(qū)附近，該區(qū)域?yàn)榘牍虘B(tài)區(qū)，成分及組織不均勻，可以推測(cè)，該系列鋁合金的熔合區(qū)為該焊接接頭的力學(xué)薄弱環(huán)節(jié)。

兩種送絲速度下的接頭拉伸斷口形貌如圖5所示。可以看出，兩種送絲速度下接頭的斷裂面處凸凹不平，且有大量韌窩，兩斷口均呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征。送絲速度為7 m/min時(shí)，斷口韌窩尺寸較小而分布均勻，說(shuō)明斷裂過(guò)程較均勻;送絲速度為9 m/min時(shí)，斷口處有尺寸大且深的韌窩，說(shuō)明接頭是經(jīng)歷了較長(zhǎng)的塑性變形才發(fā)生斷裂，韌性更好。

3 結(jié)論

（1）保持焊接速度和等離子電流不變，兩種送絲速度下均可獲得優(yōu)良的焊縫成形，接頭組織形貌相似，焊縫中心為呈樹枝狀晶的鑄造組織，熔合區(qū)和熱影響區(qū)主要為柱狀晶組織，母材為典型的軋制纖維組織。送絲速度為9 m/min的焊接接頭，其熔合區(qū)寬度和焊縫區(qū)等軸樹枝狀晶粒尺寸均小于送絲速度為7 m/min的焊接接頭。

（2）兩種送絲速度下的接頭硬度分布均呈“ W ”形，焊縫和熔合區(qū)的平均硬度均低于母材硬度。焊接接頭硬度最低點(diǎn)均在距離焊縫中心3～4 mm處的熔合區(qū)。送絲速度為7 m/min的接頭，距離焊縫中心約3 mm處達(dá)到硬度的最低值56.5 HV，約為母材的76%，接頭軟化更為顯著。

（3）兩種送絲速度下的接頭拉伸斷裂均出現(xiàn)在熔合區(qū)附近。送絲速度9 m/min的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為 268 MPa和12%，達(dá)到了母材的83.6%和65.9%，均高于送絲速度為7 m/min

的焊接接頭。斷裂機(jī)制均為韌性斷裂。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍江啟，蘭鳳崇，陳吉清. 車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008（6）：27-35.

[2]潘柏清，丁浩，劉雄，等. 6005A-5083鋁合金焊接接頭的微觀組織與力學(xué)性能研究[J].電焊機(jī)，2020，50（6）：30-38.

[3]靳佳霖，徐國(guó)富，李耀，等. 焊絲成分對(duì) 6082-T6 鋁合金焊接接頭組織和性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2020，30（1）：1-8.

[4]Lee H K，Chun K S，Park S H，et al. Control of surface defects on plasma-MIG hybrid welds in cryogenic aluminum alloys[J]. Int. J. Nav. Arch. Ocean Eng.，2015（7）：770-783.

[5]Ono K，Liu Z J，Era T，et al. Development of a plasma MIG welding system for aluminum[J]. Welding International，2009，23（11）：805-809.

[6]劉正，霍海龍，郭雨菲，等. 6005鋁合金中厚板等離子-MIG復(fù)合焊接頭組織與力學(xué)性能[J]. 電焊機(jī)，2016，46（8）：92-95.

[7]楊濤. Plasma-MIG電弧耦合機(jī)制及2219鋁合金焊接工藝研究[D]. 黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[8]邵盈愷，王玉璽，楊志斌，等.基于焊縫熔深優(yōu)化的7075鋁合金等離子-MIG復(fù)合焊接熱裂紋敏感性[J].金屬學(xué)報(bào)，2018，54（4）：547-556.

[9]霍海龍. 鋁合金中厚板等離子-MIG復(fù)合焊研究[D]. 四川：西南交通大學(xué)，2016.

[10]魏波，潘厚宏，孫彥文，等. 工藝參數(shù)對(duì)鋁合金旁軸式等離子-MIG復(fù)合焊焊縫熔深的影響[J]. 熱加工工藝，2014，43（13）：162-166.

[11]石磊. 5A06鋁合金Plasma -MIG焊工藝研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

[12]田仁勇，吳向陽(yáng)，張志毅，等.窄坡口等離子-MIG復(fù)合焊及焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].電焊機(jī)，2020，50（10）：35-39.

[13]祁小勇，周京，劉碩夫，等. 5083鋁合金擺動(dòng)激光電弧復(fù)合焊工藝研究[J]. 航空制造技術(shù)，2019，62（6）：71-78.

[14]陳澄，薛松柏，孫乎浩，等. 5083鋁合金TIG焊接頭組織與性能分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2014，35（1）：37-40.