不同Mn含量及焊接電流對ER5356鋁合金焊絲焊接性能的影響

胡 權(quán),李國棟,周 楠

（1.佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528133；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所，廣東 廣州510650）

隨著輕量化要求越來越多的應(yīng)用于交通領(lǐng)域，特別是高速鐵路、航空航天、輕量化汽車的發(fā)展，鋁合金應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣．在環(huán)保要求逐漸提高的背景下，輕量化可以有效地降低交通的燃油消耗量與污染物排放．有研究指出，汽車自重每減少10%，其燃油的消耗量能夠降低6%~8%，排放量可以降低5%~6%，環(huán)境保護效果明顯［1-2］．

目前鋁合金最主要的連接方法是焊接，常見的鋁合金焊接方法有鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極氣體氬弧焊（MIG）、攪拌摩擦焊（FSW）、激光焊（LSW）及電子束焊（EBW）等，其中TIG焊接過程穩(wěn)定、易于操作，保護效果好且經(jīng)濟成本低，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［3-4］．

在ER5356鋁合金焊絲中，Mg，Sc，Zr，Er和Ti等［5-9］合金元素對焊接性的影響均有詳細的研究成果，而Mn元素對ER5356鋁合金焊絲焊接性能的影響報道較少．因此，以TIG焊6082鋁合金擠壓板材為研究對象，采用錳量為0.05%和0.15%的ER5356鋁合金焊絲，研究不同Mn含量的ER5356鋁合金焊絲對焊接焊頭性能的影響．

1 實驗部分

1.1 原料

研究所采用的ER5356鋁合金焊絲，首先由半連續(xù)鑄造制備成鋁合金鑄錠，經(jīng)在480℃下20 h的均勻化處理后，在630T臥式擠壓機進行熱擠壓制成直徑9.5 mm的圓桿，擠壓溫度500℃．將擠壓后的鋁合金進行3道次的冷拉拔至直徑4 mm，在拉拔過程中需要中間退火以消除拉拔產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力．焊絲成分列于表1．

表1 ER5356鋁合金焊絲金屬成分Table 1 ER5356 aluminum alloy welding wire metal composition w/%

研究焊接母材采用6082合金，合金經(jīng)熔煉、鑄造、擠壓成板材，時效熱處理后備用，合金化學(xué)成分如表2所示．

表2 母材6082鋁合金化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of base material 6082 aluminum alloy w/%

1.2 方法

使用的焊接設(shè)備是WSE-500交直流脈沖方波氬弧焊機，鎢極直徑2.0 mm，焊絲直徑為4.0 mm，保護氣體種類是100%的氬氣，保護氣體流量14 L/min．表3為焊接試驗參數(shù)．采用Leika DMI3000M金相顯微鏡，進行金相組織觀察．采用DNS200電子萬能試驗機進行室溫拉伸實驗區(qū)，拉伸速度為2.0 mm/min，溫度為27.5℃．采用Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡，對拉伸試樣進行斷口掃描分析．

表3 焊接試驗參數(shù)Table 3 Welding test parameters

2 結(jié)果及分析

2.1 不同Mn含量焊絲力學(xué)性能

表4 所 示 為ER5356（0.05%Mn）焊 絲 與ER5356（0.15%Mn）焊絲的力學(xué)性能數(shù)據(jù)．由表4可 知，ER5356（0.15%Mn）焊 絲 伸 長 率 略 優(yōu) 于ER5356（0.05%Mn）焊絲，屈服強度和抗拉強度略低于ER5356（0.05%Mn）焊絲，但是兩者數(shù)據(jù)相差不大．

表4 焊絲的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of welding wire

2.2 不同Mn含量和焊接電流的焊接接頭宏觀形貌

圖1 所示為6082焊接接頭的宏觀形貌．從圖1可見：在較低焊接電流條件下，得到的焊接接頭表面成形不規(guī)則，存在焊接缺陷；隨著焊接電流的增大，焊縫成形質(zhì)量提高；使用ER5356（0.15%Mn）焊絲得到的接頭宏觀成形整體優(yōu)于ER5356（0.05%Mn）焊接得到的接頭，當(dāng)焊接電流為125 A時ER5356（0.15%Mn）焊接形成的焊縫魚鱗紋成形規(guī)則，無焊接熱裂紋等宏觀缺陷．另外，由圖1（a）~圖1（c）與圖1（d）~圖1（f）比 較發(fā)現(xiàn)，隨 著焊接電 流增加，ER5356（0.15%Mn）焊接接頭熔池寬度大于對應(yīng)焊接參數(shù)的ER5356（0.05%Mn）試樣．

圖1 6082焊接接頭宏觀圖片（a）0.05%Mn，100 A；（b）0.05%Mn，115 A；（c）0.05%Mn，125 A；（d）0.15%Mn，100 A；（e）0.15%Mn，115 A；（f）0.15%Mn，125 AFig.1 Macro graph of 6082 welded joint

2.3 不同Mn含量和焊接電流的焊接接頭金相組織

圖2 所示為ER5356（0.05%Mn）焊接接頭金相組織．從圖2可見：在焊接電流最低條件下存在嚴(yán)重的焊接缺陷，首先在熔合區(qū)存在嚴(yán)重的未焊透缺陷，焊縫區(qū)也出現(xiàn)了未焊透的區(qū)域，隨著焊接電流的增加，未焊透缺陷得到解決；隨著焊接電流的增大，焊接接頭熔合區(qū)晶粒尺寸明顯增大，熔合線介于母材和焊縫之間，在半熔化的母材基底向外生長，在焊縫一側(cè)可以明顯看見樹枝狀晶，相較于母材金相組織較為粗大．這是由于在焊接熱循環(huán)的作用下母材基底組織晶粒容易在過熱作用下粗化，隨著焊接電流的增大焊接熱輸入增加，這種現(xiàn)象更加明顯．焊縫中存在粗大的組織會增加焊縫區(qū)的脆性，熱影響區(qū)位于母材與焊縫熔合區(qū)之間，由于焊接熱循環(huán)的作用熱影響區(qū)的金相組織明顯粗化，這也會降低該區(qū)域的韌性．焊縫區(qū)的金相組織為等軸晶，由于在焊接過程中液相金屬中溫度梯度很小時，在液相中可以形成比較寬的成分過冷區(qū)，這不僅在結(jié)晶前沿形成了粗大的樹枝狀結(jié)晶，而且在液相金屬內(nèi)部形核而產(chǎn)生新的晶粒，這些晶?？梢韵蛩闹茏杂缮L，不受阻礙，從而形成等軸晶［10］．

圖2 ER5356（0.05%Mn）焊接接頭金相組織圖片（a）熔合區(qū)，100 A；（b）焊縫，100 A；（c）熔合區(qū)，115A；（d）焊縫，115 A；（e）熔合區(qū)，125 A；（f）焊縫，125 AFig.2 ER5356（0.05%Mn）welded joint optical microstructures（a）fusion zone，100 A；（b）weld joint，100 A；（c）Fusion zone，115A；（d）weld joint，115 A；（e）Fusion zone，125 A；（f）weld joint，125 A

ER5356（0.15%Mn）焊接接頭（圖3）總體規(guī)律與ER5356（0.05%Mn）相同，不同的是在較低的焊接熱輸入條件下，ER5356（0.15%Mn）焊接接頭依舊存在未焊透區(qū)域，但是要好于ER5356（0.05%Mn）．同時隨著焊接熱輸入增加，ER5356（0.15%Mn）熔合區(qū)也生成了樹枝狀結(jié)晶，但是晶粒尺寸要小于ER5356（0.05%Mn）焊接接頭，焊縫區(qū)等軸晶晶粒尺寸也略小于ER5356（0.05%Mn）．文獻［11］指出，隨著Mn元素含量的增多，在金屬均勻化組織中形成的彌散強化相增多，在退火再結(jié)晶時形核質(zhì)點較多，能夠達到細化再結(jié)晶晶粒，提高焊縫強度性能．

圖3 ER5356（0.15%Mn）焊接接頭金相組織圖片（a）熔合區(qū)，100 A；（b）焊縫，100 A；（c）熔合區(qū)，115A；（d）焊縫，115 A；（e）熔合區(qū)，125 A；（f）焊縫，125 AFig.3 ER5356（0.15%Mn）welded joint optical microstructures（a）fusion zone，100 A；（b）weld joint，100 A；（c）fusion zone，115A；（d）weld joint，115 A；（e）fusion zone，125 A；（f）weld joint，125 A

2.4 不同Mn含量和焊接電流的焊接接頭硬度

圖4 為6082鋁合金焊接接頭顯微硬度分布圖．結(jié)果表明，兩組焊接接頭中，熔合區(qū)硬度最高，其次是熱影響區(qū)，并且隨著焊接電流的增大，熔合區(qū)寬度無明顯變化，熱影響區(qū)寬度略有增加，而且隨著Mn含量的上升，熱影響區(qū)寬度增加．在較低的焊接電流和Mn含量的條件下，焊接接頭存在明顯的焊接缺陷，所以受此影響，焊接接頭顯微硬度曲線無明顯規(guī)律，如圖4（a）所示．隨著焊接電流的增加，焊接接頭的顯微硬度曲線規(guī)律性逐漸清晰，如圖4（b）所示．隨著焊接電流的增加，焊接接頭性能逐漸提高，ER5356（0.15%Mn）得到的焊接接頭熔合性優(yōu)于ER5356（0.05%Mn），由于兩組焊接接頭的實驗變量只有焊絲中的Mn元素含量，這也證明了Mn元素可以促進焊接的金屬熔敷過程．

圖4 焊接接頭顯微硬度分布（a）Mn含量0.05%；（b）Mn含量0.15%Fig.4 Microhardness distribution of welded joints（a）Mn content 0.05%；（b）Mn content0.15%

2.5 不同Mn含量和焊接電流的焊接接頭力學(xué)性能

表5 為ER5356（0.05%Mn）和ER5356（0.15%Mn）焊接6082鋁合金得到的焊接接頭的抗拉強度和伸長率．由表5可知，ER5356（0.15%Mn）焊接接頭力學(xué)性能整體優(yōu)于ER5356（0.05%Mn），且ER5356（0.15%Mn）焊接接頭在三組焊接熱輸入條件下測得的伸長率也均高于ER5356（0.05%Mn）焊接接頭．這是由于增加Mn元素能夠改善焊接接頭力學(xué)性能，同時隨著焊接電流增加焊接接頭抗拉強度呈現(xiàn)增大的趨勢．隨著焊接電流增加，焊接熱輸入增大，焊縫中未焊透缺陷減少，焊接接頭力學(xué)性能得到提高．此外，焊接接頭的伸長率隨著焊接電流增加而增加，當(dāng)焊接熱輸入量較小時，焊接接頭有著明顯的未焊透區(qū)域而導(dǎo)致伸長率下降，隨著焊接熱輸入增加，未焊透區(qū)域逐漸減小且焊縫力學(xué)性能得到改善．焊接試驗測得母材抗拉強度為231 MPa，而焊接接頭匹配系數(shù)最高達到0.71．

表5 6082焊接接頭抗拉強度及伸長率Table5 6082 Welded joints tensile strength and elongation

2.6 不同Mn含量和焊接電流的焊接接頭斷口形貌

圖5 為6082鋁合金焊接接頭斷口形貌圖．從圖5可見，焊接接頭斷口形式為韌性斷裂，隨著焊接電流的增大，焊縫斷口韌窩變大且深度降低．其中ER5356（0.05%Mn）焊絲試樣在焊接電流125 A條件下，焊接接頭斷裂后部分區(qū)域表現(xiàn)出脆性斷裂的特征．另外，在ER5356（0.15%Mn）焊絲焊接接頭斷口形貌中，通過測試成分發(fā)現(xiàn)有富Mn相，結(jié)合前面的金相組織觀察得知，Mn元素在ER5356鋁合金金相組織中形成Al-Mn相分布，在焊接過程中該彌散相隨著熔敷金屬過渡到熔池中．Al-Mn相不僅可以細化再結(jié)晶晶粒，還可以溶解雜質(zhì)鐵，形成Al（Fe，Mn）Al相可有效地減小鐵的有害影響［12-13］，從而使得焊接接頭的力學(xué)性能得到有效的提升．從斷口形貌上看，ER5356（0.05%Mn）焊絲在較低焊接電流得到的焊接接頭斷口存在明顯的未焊透區(qū)域，隨著焊接電流的增大，這種現(xiàn)象逐漸減少，ER5356（0.15%Mn）焊絲在較低焊接電流下得到的焊接接頭斷口依舊存在未焊透的現(xiàn)象，但是要明顯優(yōu)于ER5356（0.05%Mn），隨著焊接電流增大，未焊透現(xiàn)象逐漸減輕，在125 A焊接電流條件下，ER5356（0.15%Mn）焊絲得到的焊接接頭斷口幾乎觀察不到未焊透的現(xiàn)象．

圖5 6082焊接接頭斷口形貌圖（a）0.05%Mn，100 A；（b）0.05%Mn，115 A；（c）0.05%Mn，125 A；（d）0.15%Mn，100 A；（f）0.15%Mn，115 A；（e）0.15%Mn，125 A（a）0.05%Mn，100 A；（b）0.05%Mn，115 A；（c）0.05%Mn，125 A；（d）0.15%Mn，100 A；（f）0.15%Mn，115 A；（e）0.15%Mn，125 AFig.5 6082 welded joints fracture topography

3 結(jié)論

（1）在較低焊接熱輸入條件下，兩組焊接接頭存在未焊透缺陷，隨著焊接熱輸入增加，未焊透現(xiàn)象消失，此外ER5356（0.15%Mn）焊接接頭成形質(zhì)量優(yōu)于相應(yīng)焊接熱輸入條件下ER5356（0.05%Mn）焊接接頭．

（2）隨著焊接電流的增大，兩組焊接接頭未焊透缺陷逐步減少，力學(xué)性能得到提高，其中力學(xué)性能最優(yōu)的焊接接頭匹配系數(shù)可以達到0.71．

（3）含錳量為0.15%的焊絲焊接得到的焊接接頭性能整體上優(yōu)于含錳量0.05%焊絲焊接得到的焊接接頭，Mn元素可以改善焊接接頭的力學(xué)性能，進而提高鋁合金焊接質(zhì)量．