6系鋁合金MIG點(diǎn)焊模式的焊接質(zhì)量提升措施

韓世濤，陸宏韜，林相遠(yuǎn)，王周冰，曹振華，王宇

遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 遼寧遼陽 111003

1 序言

近年來，汽車輕量化發(fā)展成為趨勢，而鋁合金由于具有重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，所以成為汽車輕量化的首選材料之一。目前，MIG焊是十分普遍且生產(chǎn)成本相對較低的鋁合金焊接技術(shù)。在對6系鋁合金薄板接頭進(jìn)行MIG焊接時(shí)，十分容易產(chǎn)生過熔的現(xiàn)象。有研究表明，對于搭接接頭而言，熔透時(shí)的接頭強(qiáng)度最高，但該研究對象為不銹鋼[1，2]。對于6系鋁合金而言，其熱裂紋敏感性較高，因焊接熱輸入過大而導(dǎo)致的過熔現(xiàn)象則易引起液化裂紋等缺陷的產(chǎn)生。若采用MIG點(diǎn)焊模式，則更易避免焊點(diǎn)過熔現(xiàn)象的發(fā)生，減少焊接變形，保證接頭質(zhì)量。但由于電弧焊自身特點(diǎn)的原因，MIG點(diǎn)焊易產(chǎn)生熔深淺、虛焊的情況，這也導(dǎo)致其應(yīng)用受到了限制。本文針對MIG點(diǎn)焊現(xiàn)存的問題，提出了一種解決措施并提供了相關(guān)數(shù)據(jù)，為相關(guān)產(chǎn)品的焊接設(shè)計(jì)人員及生產(chǎn)工藝人員提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?063-T6擠壓型材，壁厚3mm，母材化學(xué)成分及力學(xué)性能分別滿足GB/T 3190—2020《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》及GB/T 6892—2015《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》要求，詳見表1、表2。

表1 6063-T6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 6063-T6鋁合金力學(xué)性能

本次試驗(yàn)使用焊接設(shè)備為Fronius TPS 5000逆變式數(shù)字化鋁焊機(jī)，機(jī)器人手臂為KUKA KR90，焊絲為EN ISO 18273：S Al 5356（φ1.2mm），焊接方法為單脈沖MIG自動點(diǎn)焊。在Fronius TPS 5000中，MIG點(diǎn)焊功能的主要可調(diào)節(jié)參數(shù)分為焊接電流及焊接時(shí)間，并無引弧、收弧電流的設(shè)置。焊接姿態(tài)如圖1所示。

圖1 焊接姿態(tài)

試驗(yàn)接頭形式分為I形坡口搭接接頭與單V形坡口（45°）搭接接頭，焊槍側(cè)傾角α1均為5°，焊槍后傾角α2均為90°，焊絲與搭接接頭上板邊緣距離b=3mm，焊絲干伸長為15mm。MIG點(diǎn)焊焊接參數(shù)見表3，保護(hù)氣體均為99.99%Ar，氣體流量均為20L/min。

本次試驗(yàn)采用控制變量法進(jìn)行，表3中序號I-1～I(xiàn)-5為不同焊接電流下I形坡口的焊接參數(shù)、序號V-1～V-5為不同焊接電流下單V形坡口的焊接參數(shù)。焊接完成后依次進(jìn)行目視觀察、拉伸性能檢測、宏觀金相與微觀金相觀察，然后通過試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 目視觀察及接頭拉伸斷裂結(jié)果

使用表3中序號I-1～I(xiàn)-5的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，焊后試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見，在焊接電流為130A、140A時(shí)，由于焊接參數(shù)過小，故導(dǎo)致接頭底板連接位置出現(xiàn)弱連接的情況。當(dāng)焊接電流為150～170A時(shí)，隨著焊接電流的增大，最大拉伸載荷逐步上升。當(dāng)焊接電流達(dá)到170A時(shí)，拉伸斷裂位置由底板弱連接位置轉(zhuǎn)移至填充金屬，且此時(shí)最大拉伸載荷值最高，說明此時(shí)底板弱連接問題得到了一定程度的解決。

表3 MIG點(diǎn)焊焊接參數(shù)

表4 I形坡口焊接接頭

使用表3中序號V-1～V-5的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，焊后試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可見，在單V形坡口下，接頭的拉伸斷裂位置均位于填充金屬，說明采用單V形坡口可有效地避免底板弱連接的問題。隨著焊接電流的增加，填充金屬體積以及與上下板之間的連接面積逐漸增大，接頭最大拉伸載荷值也逐步攀升。因此，MIG點(diǎn)焊模式配合單V形坡口相對于配合I形坡口可以更有效地避免底板弱連接問題的發(fā)生，接頭質(zhì)量也更為穩(wěn)定。

表5 單V形坡口焊接接頭

3.2 金相分析

對表4、表5中的焊接接頭進(jìn)行金相觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接電流≤160A時(shí)，接頭內(nèi)部均無顯微裂紋存在，而在焊接電流為170A時(shí)，接頭內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)了顯微裂紋的存在?，F(xiàn)以160A與170A焊接電流的I形坡口接頭與單V形坡口接頭的宏觀及微觀形貌為例進(jìn)行分析，如圖2所示。根據(jù)業(yè)內(nèi)學(xué)者的研究結(jié)果，可以將這種顯微裂紋確定為液化裂紋[2]。液化裂紋的產(chǎn)生是由于焊接過程的快速加熱所致。在母材的快速加熱過程中，β相來不及溶解，而當(dāng)溫度超過共晶溫度時(shí)，β相中的組元還未完全溶入α固溶體中，最終在α與β兩相界面出現(xiàn)薄弱的共晶液相，最終在應(yīng)力作用下沿著晶界液膜開裂，形成裂紋。

對于圖2c、圖2d而言，液化裂紋主要存在于母材的粗晶層中，這是由于粗晶層對于裂紋的敏感度更高所致。對于圖2g及圖2h而言，相對I形坡口，更多的焊接熱輸入傳導(dǎo)至底板，伴隨著熔覆金屬自身重力的下壓作用，使母材背部粗晶層區(qū)域以及母材內(nèi)部均出現(xiàn)了液化裂紋。

圖2 接頭宏觀及微觀形貌

對于易出現(xiàn)弱連接問題的底板連接位置而言，隨著焊接電流的增加，底板側(cè)熔深均逐步增大。通過對比也可發(fā)現(xiàn)單V形坡口的底板側(cè)熔深明顯大于I形坡口，這也進(jìn)一步證實(shí)了單V形坡口對于增大熔深、保證接頭質(zhì)量穩(wěn)定性的重要作用。

綜上所述，搭接接頭I形坡口的液化裂紋問題以及底板熔深問題限制了MIG點(diǎn)焊模式的使用。而將I形坡口改變?yōu)榇罱咏宇^單V形坡口后，底板熔深問題得到了有效解決，合適的焊接工藝窗口也更為寬泛，使MIG點(diǎn)焊模式應(yīng)用的穩(wěn)定性得到了提升。

4 結(jié)束語

對于MIG點(diǎn)焊模式在6系鋁合金搭接接頭上的生產(chǎn)應(yīng)用而言，使用單V形坡口替代I形坡口可以有效地避免底板熔深不足、弱連接的情況發(fā)生。但由于6系鋁合金熱裂紋敏感性較高，過大的焊接熱輸入易導(dǎo)致接頭內(nèi)部液化裂紋的產(chǎn)生，因此在生產(chǎn)中應(yīng)合理控制焊接參數(shù)，以獲得較高質(zhì)量的MIG點(diǎn)焊接頭。