環(huán)境溫濕度對6082-T6鋁合金型材MIG焊接接頭氣孔和力學性能的影響

任思蒙，任毅斌，宋小雨，李英東，王國軍

(中鋁材料應用研究院有限公司，北京102209)

鋁合金因密度小，可焊，耐腐蝕，易加工成形等特點被廣泛應用于汽車車身。我國新興新能源汽車快速發(fā)展，鋁合金作為汽車的首選材料，用量逐年提升，車輛及零部件主要依靠熔焊技術連接，因此保證車身焊接接頭質(zhì)量尤為重要。

在鋁合金車身焊接中，接頭氣孔是常見的缺陷之一，氣孔使焊縫致密性降低，有效承載面積減小，嚴重影響焊接接頭的使用性能。分析氣孔形成的主要因素，其中環(huán)境溫濕度為最關鍵的一個影響因素。因此，在鋁合金焊接生產(chǎn)中，將環(huán)境濕度控制在一個合理的范圍內(nèi)，可以在保證鋁合金焊接質(zhì)量的前提下有效降低因過于嚴格地控制環(huán)境濕度帶來的生產(chǎn)成本的增加[1-4]。

我國一年四季及不同地域環(huán)境溫濕度有規(guī)律性變化，不同溫濕度是如何影響焊接接頭氣孔的產(chǎn)生及分布從而影響接頭質(zhì)量值得探究。本試驗結(jié)合新能源汽車常用型材焊接問題，研究環(huán)境溫濕度對6082-T6鋁合金MIG焊接接頭氣孔和力學性能的影響，為以后主機廠建立生產(chǎn)廠房及從事鋁合金MIG焊接工作提供參考[5]。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用6082-T6鋁合金型材，尺寸為300 mm×150 mm×2 mm。填充焊絲為ER5356鋁合金，直徑為1.2 mm。試驗材料的化學成分如表1所示。

表1 6082-T6鋁合金與ER5356焊絲的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 6082-T6 Al alloy and ER5356 wire(wt/%)

1.2 試驗方法

采用熔化極氣體保護焊，接頭形式為對接，焊機為奧地利Fronius公司生產(chǎn)的TPS4000 CMT advanced，焊槍裝載在機械手臂上，進行自動焊接，保護氣體為99.999%的高純氬氣。焊接工藝參數(shù)：焊接電流為80 A，焊接速度為0.75 m/min，焊接電壓為17.6 V，氬氣流量為18 L/min～20 L/min。

在試驗過程中，對整個焊接系統(tǒng)進行遮擋，形成封閉式“焊接室”，用加熱器和加濕器改變焊接環(huán)境的溫度和濕度。采用X射線無損檢測方法測定焊縫中氣孔形態(tài)及數(shù)量，標記氣孔所在位置。采用圖像分析軟件計算氣孔總面積，氣孔所占整個焊道面積比即為氣孔率，用來表征氣孔敏感性。采用AG-X Plus-10 kN拉伸機，根據(jù)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為3 mm/min，記錄抗拉強度、屈服強度、伸長率，以及斷裂位置。根據(jù)GB/T 2653-008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行室溫彎曲試驗，壓輥直徑為30 mm，彎頭直徑為20 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氣孔率和氣孔分布

通過改變環(huán)境獲得不同溫度和相對濕度下的焊接接頭，表2為6082-T6鋁合金焊縫氣孔率和氣孔分布形式。

表2 不同溫濕度6082-T6鋁合金焊縫的氣孔率Table 2 The porosity rate of 6082-T6 aluminum alloy welded joint with different temperatures and humidities

續(xù)表2

當環(huán)境溫度一定時，焊縫的氣孔率隨相對濕度的增加呈規(guī)律性變化，相同溫度下氣孔率隨相對濕度的增大而增加。當溫度為26℃、相對濕度為50%時，氣孔率為0.48%；而溫度為14 ℃、相對濕度為60%和溫度為20 ℃、相對濕度為60%時，氣孔率分別為0.10%和0.34%。這說明研究環(huán)境相對濕度對氣孔率的影響還應結(jié)合當前溫度，要從溫度和相對濕度綜合角度考慮環(huán)境因素對焊縫氣孔的影響。

濕度分為相對濕度和絕對濕度，相對濕度只能在同一溫度條件下對比，不同溫度，應采用絕對濕度進行對比分析。絕對濕度是指單位體積空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量，絕對濕度與相對濕度轉(zhuǎn)換公式：

f=W×F×100%

(1)

式中：

f—絕對濕度，g/m3；

W—相對濕度，%；

F—一定溫度和壓強下空氣飽和水蒸氣含量，g/m3。

鏈狀氣孔是最為嚴重的焊接氣孔缺陷，對焊接接頭承受靜載荷和交變載荷都是極為不利的[6-7]。在某些特定工況場合或評判標準里，鏈狀氣孔直接視為未焊透等缺陷。從表2再結(jié)合表3來看，隨著絕對濕度的增加，氣孔的分布形式由單個氣孔轉(zhuǎn)向密集氣孔，再由密集氣孔轉(zhuǎn)向鏈狀氣孔。氣孔尺寸和數(shù)量也隨著絕對濕度的增大而變大。

表3 不同溫度和相對濕度下的絕對濕度Table 3 Absolute humidities under different temperatures and relative humidities

圖1為不同絕對濕度的焊縫氣孔率和分布?？梢钥闯?，隨著絕對濕度的增加，焊縫氣孔率逐漸增大。絕對濕度的增加還會改變氣孔在焊縫中的存在形式，絕對濕度在4.82 g/m3以下時，氣孔率為0，說明此時的環(huán)境相對濕度對焊縫氣孔幾乎沒有影響；當絕對濕度達到或超過4.82 g/m3后，氣孔以單個形式存在；當絕對濕度達到或超過到10.38 g/m3時，氣孔密集存在；當絕對濕度到達或超過到17.01g/m3時，氣孔以鏈狀形式存在。氣孔率上升和氣孔的分布形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的原因是隨著絕對濕度的增加，空氣中單位體積內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量增多，導致在焊接過程中水蒸氣侵入電弧和熔池的概率加大，熔池凝固后，焊縫中形成更多的氫氣孔。

圖1 不同絕對濕度下焊縫氣孔率和分布Fig.1 Weld porosity and distribution of different absolute humidities

2.2 氣孔形成機制

氫是鋁合金熔焊時產(chǎn)生氣孔的主要原因，在不同溫濕度條件下，尤其是在較為潮濕的環(huán)境中，氫的主要來源是空氣中的水蒸氣。在焊接過程中，熔融態(tài)鋁合金與水蒸氣發(fā)生化學反應：

3H2O+2Al→Al2O3+6[H]

(2)

(3)

分解的氫不斷擴散和溶解在電弧及熔池的液態(tài)金屬中，溫度越高，氫溶解度越大，越易在焊接接頭中形成氣孔。在熔化溫度為600 ℃和1標準大氣壓時，氫在純鋁中的溶解度可從液態(tài)的0.69 mL/100 g突降到固態(tài)的0.036 mL/100 g，相差約20倍。氫的溶解度陡降，導致鋁液中氫出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，在焊接條件下，熔池周邊有母材未熔化的固態(tài)晶粒及成長中的固態(tài)枝晶和少量難溶的固態(tài)質(zhì)點，它們的表面為氣泡的非自發(fā)形核提供了條件，氣泡核隨即開始長大。

單個的小氣泡長大是比較困難的，形核后的小氣泡半徑非常小，氣泡的長大速度與其長大過程中受到的壓力有關，即析出氣體的總壓力必須大于氣泡的外界壓力：

Pg>Pa+Pc

(4)

式中：

Pg—氣泡內(nèi)的氣壓；

Pa—氣泡外部壓力；

Pc—由表面張力構(gòu)成對氣泡的壓力；

σ—液體金屬與氣泡間的表面張力；

rc—氣泡的半徑。

形核后的小氣泡半徑rc非常小，由表面張力構(gòu)成對氣泡的壓力(Pc)則非常大，各個小氣泡在熔池中浮動，以不同速度浮游、匯聚，相鄰的小氣泡不斷發(fā)生合并，氣泡尺寸變大，然后氣泡繼續(xù)長大。

有些已經(jīng)長大的氫氣泡來不及逸出留下空穴形成氣孔。在降溫過程中，焊縫凝固速度對氣孔影響很大，當其他條件不變時，金屬凝固速度越快，氣泡越難溢出。由于6082鋁合金導熱性能較好，焊接過程中傳熱速度快，流動性變差[8]，冷卻時液態(tài)金屬凝固速度快，氣泡難以逸出，因此在不同工藝條件下形成大小不一、形態(tài)各異的焊縫氣孔。

2.3 力學性能

將不同溫濕度的焊接接頭加工成標準拉伸試樣和彎曲試樣，并依據(jù)相關標準進行檢測。圖2和表3分別為不同絕對濕度對6082-T6鋁合金接頭力學性能和斷裂位置的影響。由圖2和表3可知，絕對濕度小于14.15 g/m3，接頭抗拉強度保持在203 MPa～218 MPa，伸長率在4.9%～5.9%，斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)或焊縫區(qū)，整條焊縫上的氣孔以點狀、密集狀形式分布，且氣孔率較低，能保證接頭的致密性；但當絕對濕度上升到17.01 g/m3以后，接頭抗拉強度和伸長率呈下降趨勢，焊縫氣孔分布形式為鏈狀氣孔，斷裂位置全部發(fā)生在焊縫區(qū)。原因為當有鏈狀氣孔存在且氣孔率比較高時，嚴重破壞焊縫的致密性，導致接頭力學性能降低。

圖2 絕對濕度對6082-T6鋁合金接頭力學性能的影響Fig.2 Effect of absolute humidities on mechanical properties of 6082-T6 aluminum alloy joint

表3 絕對濕度對6082-T6鋁合金接頭斷裂位置的影響Table 3 Influence of absolute humidities on the fracture location of 6082-T6 aluminum alloy joints

表4為不同絕對濕度對6082-T6鋁合金焊接接頭彎曲性能的影響。由表4可以看出，正彎和背彎角度隨絕對濕度的升高下降。當絕對濕度小于12.15 g/m3時，正彎和背彎角度均可達到180°，且未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，絕對濕度對彎曲性能沒有明顯影響；當絕對濕度為14.58 g/m3時，彎曲角度雖可達到180°，由于焊縫中有氣孔存在，引起應力集中，產(chǎn)生焊接裂紋，接頭彎曲性能下降，對比之前在此絕對濕度下，接頭拉伸性能未發(fā)生明顯改變，說明絕對濕度上升，對接頭彎曲性能的影響更為顯著；當絕對濕度為17.01 g/m3時，正彎和背彎的角度分別為46°和64°，正彎角度小于背彎角度，這是因為正彎主要考察焊縫上部性能，焊縫上表面受拉應力，此時空氣中的水蒸氣主要進入熔池上部形成氣孔，因此表現(xiàn)為正彎較背彎角度要小；當絕對濕度上升為19.44 g/m3時，正彎和背彎分別為40°和49°，彎曲角度相差不大，此時空氣中的水蒸氣完全侵入到弧柱和熔池中去，形成的氣孔致使焊縫接頭彎曲性能整體下降。

表4 不同絕對濕度對6082-T6鋁合金接頭彎曲性能影響Table 4 Influence of different absolute humidities on bending performance of 6082-T6 aluminum alloy joints

3 結(jié) 論

1)對于6082-T6鋁合金型材焊接，應控制絕對濕度，絕對濕度對MIG焊接接頭氣孔率和氣孔分布有較大影響，隨著絕對濕度的提高，氣孔率逐漸上升。

2)6082-T6鋁合金接頭斷裂位置一般發(fā)生在熱影響區(qū)。氣孔率較低時，斷裂位置不發(fā)生改變，絕對濕度對接頭拉伸性能和彎曲無明顯影響；但氣孔率升高，氣孔分布轉(zhuǎn)變?yōu)殒湢顣r，斷裂位置發(fā)生在焊縫區(qū)，力學性能和彎曲性能明顯下降。