機械振動輔助鋁合金MIG焊接接頭組織與性能研究

茅衛(wèi)東，石銘霄，李盛良，李敬勇，陳書錦，陳九公

1.奇瑞新能源汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241003

2.新能源汽車輕量化技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241003

3.江蘇科技大學材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

0 前言

鋁合金具有密度低、比強度高、抗蝕性強和塑性好等優(yōu)點，在航空航天、軌道交通、汽車制造等領(lǐng)域被廣泛應用［1-5］。特別是隨著現(xiàn)代中空薄壁鋁型材軋制技術(shù)的持續(xù)完善［6］，鋁合金已成為新能源汽車車身輕量化制造的主要材料［7-11］。而實現(xiàn)鋁合金的高質(zhì)量焊接是提高鋁合金車身服役安全性和使用壽命的重要保障。

目前國內(nèi)外對于鋁合金焊接的研究非常廣泛且深入，幾乎涉及到所有的焊接方法。固相焊接方法如攪拌摩擦焊和釬焊是鋁合金焊接的常用方法。與傳統(tǒng)的熔化焊相比，攪拌摩擦焊具有接頭力學性能優(yōu)良、焊接變形小、無污染、無輻射等優(yōu)勢，非常適合鋁合金等低熔點金屬的焊接［12］，但是攪拌摩擦焊存在焊接速度慢、焊接柔性差等問題，使得其在汽車行業(yè)的應用存在局限性。釬焊最大的優(yōu)勢就是可以焊接形狀復雜、精度要求高的零件［13］，但是接頭強度較低。以激光焊為代表的高能束焊接方法也能實現(xiàn)鋁合金的優(yōu)質(zhì)、高速焊接，但是極低的裝配間隙容忍度使得激光焊很難在汽車行業(yè)大范圍推廣應用［14］。傳統(tǒng)的MIG焊工藝具有對裝配精度要求低、適應性強、保護效果好、焊接生產(chǎn)率高等優(yōu)點，是目前汽車行業(yè)使用最廣泛的鋁合金焊接方法［15］。但是鋁合金獨特的物理化學性能導致其焊接存在接頭軟化、焊縫極易出現(xiàn)氣孔、焊接變形大等問題，給鋁合金車身結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量管控帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。而焊接過程輔加機械振動已被證明是解決上述問題的一條有效途徑［16］。

振動焊接作為一種在焊接過程中向構(gòu)件輸入機械振動的工藝，具有熱處理和振動時效無法比擬的優(yōu)勢。它是利用振動和焊接熱過程的復合作用來提高焊接接頭的綜合質(zhì)量，不僅可以降低材料的殘余應力，還能細化焊縫晶粒，優(yōu)化接頭組織，提高材料的力學性能。因此，本文將機械振動引入鋁合金MIG焊接過程，充分利用機械振動的除氣孔和細晶作用，實現(xiàn)鋁合金的優(yōu)質(zhì)高效焊接，并重點研究了機械振動對接頭顯微組織和力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用母材為6082-T6鋁合金，試板尺寸為150 mm×100 mm×3 mm，垂直于軋制方向的板材拉伸強度為335 MPa。焊絲選用直徑1.2 mm的ER 5356焊絲，抗拉強度為280 MPa。6082鋁合金和ER 5356焊絲的化學成分如表1所示。

表1 母材和焊絲的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire（wt.%）

試驗用焊接設備是YD-ABD35型焊機和YA-1VAR81F00型工業(yè)焊接機器人，振動設備是VSR-10T型振動時效儀。在焊接過程中，試板水平放置，通過激振器給焊接平臺施加一個持續(xù)不斷的類似向下“錘打”的作用力，使得固定在焊接平臺的焊件產(chǎn)生機械振動，使焊件處于共振狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of test device

采用對接接頭形式（I型接頭），焊前先用80#耐水砂紙打磨鋁板表面以去除表面氧化膜和油污，再用脫脂棉分別蘸取丙酮和酒精清洗試件表面，確保材料表面清潔無污染。采用直流反接法，具體焊接參數(shù)如表2所示。

表2 機械振動輔助鋁合金MIG焊接工藝參數(shù)Table 2 Mechanical vibration-assisted MIG welding parameters of aluminum alloy

焊后使用線切割機沿垂直于焊接方向截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后用于組織分析。在VHX-900光學顯微鏡下觀察焊縫低倍微觀組織，在JSM-6480掃描電子顯微鏡下觀察高倍微觀組織。采用Nordif電子背散射衍射儀確定焊縫和熱影響區(qū)各個晶粒的大小和晶體學位向關(guān)系。采用X6600型X射線探傷儀檢測接頭中的氣孔數(shù)量，分析氣孔缺陷原因。使用KB全自動硬度計測試接頭顯微硬度，硬度測試所用法向載荷為500 g，加載時間為15 s，測試點距離為0.2 mm。依據(jù)標準GB/T228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》，室溫拉伸試驗在CMT 5205電子萬能試驗機上進行，應變速率為1.3×10-3/s。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 機械振動對焊縫成形的影響

焊縫的表面成形是評價焊接質(zhì)量的重要標準，不同振動頻率的焊縫表面形貌如圖2所示?？梢钥闯?，施加機械振動前后焊縫表面均成形良好，波紋均勻且細致美觀，表面未見有氣孔、裂紋等明顯缺陷，表明機械振動不會顯著影響焊縫表面成形。

圖2 不同振動頻率下焊縫表面形貌Fig.2 Appearance of weld with different vibration frequencies

不同振動頻率下的焊縫熔深如圖3所示，由圖可知，隨著振動頻率增加，熔深不斷增大。這是因為振動對熔池產(chǎn)生機械攪拌作用，促進了熔池中流體流動，使得更多的液態(tài)金屬流向熔池底部，從而形成更大的熔深。這一點在焊接鋁合金時是非常有利的，可以在保證焊縫熔透的前提下降低母材熱輸入，從而減小焊接變形。

圖3 不同振動頻率下焊縫熔深Fig.3 Penetration of weld with different vibration frequencies

2.2 機械振動對焊縫氣孔的影響

不同振動頻率下的焊縫氣孔分布如圖4所示，隨著振動頻率的增加，焊縫的氣孔數(shù)量減少，當振動頻率為100 Hz時，焊縫中氣孔數(shù)量最少。這表明在焊接過程中施加機械振動是減少甚至消除氣孔的有效措施。機械振動的引入可以減少氣孔數(shù)量，主要原因是機械振動的空化效應。機械振動對熔池產(chǎn)生激振力作用，在熔池中形成大量的空化核，熔池中的氣體因為壓強差會向空化核釋放和聚集，在機械振動作用下移動、再次合并，進而浮出熔池。同時，隨著振動頻率的增加，機械振動的空化效應變得更加劇烈，熔池中的氣泡更容易合并長大，并從熔池中逸出。

圖4 不同振動頻率下焊縫氣孔分布Fig.4 Distribution of weld pore with different vibration frequencies

2.3 機械振動對焊縫顯微組織的影響

不同振動頻率下焊縫區(qū)的晶粒大小如圖5所示，機械振動有細化晶粒的作用，且隨著振動頻率的增大，晶粒細化的程度也在增加。這主要是因為熔池在結(jié)晶過程中，樹枝晶的生長遭到了機械振動的“破碎”作用，生長的樹枝晶被打碎和分散，減小了晶粒尺寸；另一方面，機械振動也會增加熔池的流動性，促進破碎的枝晶分散和流動，使其成為新的形核質(zhì)點，增加形核率，從而起到細化晶粒的作用。而且機械振動頻率越高，振動越劇烈，細化效果越顯著。

圖5 不同振動頻率下焊縫顯微組織Fig.5 Microstructure of weld with different vibration frequencies

2.4 機械振動對接頭力學性能的影響

不同振動頻率下焊接接頭顯微硬度分布曲線如圖6所示。由圖可知，引入機械振動后，焊縫區(qū)的硬度明顯上升，并且隨著振動頻率的增加，焊縫區(qū)的硬度值不斷增大。當振動頻率達到100 Hz時，焊縫區(qū)平均硬度值最高，達到了64.5 HV，與未施加機械振動的試樣相比，硬度提升了14.4%。焊縫區(qū)的硬度提高，主要原因是機械振動的除氣和細晶作用。對于金屬材料而言，硬度可以定性地表征材料強度，由于焊縫區(qū)的硬度隨著振動頻率增加而升高，由此推斷振動頻率越大，焊縫強度越高，表明機械振動能夠有效改善鋁合金焊接接頭的軟化現(xiàn)象。

圖6 不同振動頻率下焊接接頭的顯微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution of welded joints with different vibration frequencies

對比不同振動頻率下接頭的拉伸應力-應變曲線（見圖7），隨著振動頻率增大，接頭抗拉強度升高，振動頻率為100 Hz時接頭抗拉強度最大，為244 MPa，相比常規(guī)MIG焊接頭強度提升了8%。這一方面與振動細化焊縫晶粒有關(guān)，隨著振動頻率增大，焊縫晶粒細化的程度也得到了增加，因而提高了接頭的抗拉強度；另一方面與振動頻率為0 Hz、60 Hz、80 Hz的試樣存在未焊透缺陷有關(guān)，未焊透缺陷減小焊縫的有效承載面積，造成焊縫根部應力集中，從而降低了接頭的抗拉強度。但是振動頻率也不能過大，如果振動過于劇烈，將導致焊縫根部產(chǎn)生焊瘤缺陷。焊瘤處容易造成應力集中，成為裂紋的萌生和擴展源。

圖7 不同振動頻率下接頭拉伸應力-應變曲線Fig.7 Tensile stress-strain curve of welded joint with different vibration frequencies

在掃描電鏡下觀察斷口顯微形貌（見圖8），在各個振動頻率下所獲得的接頭其斷口處均存在較多韌窩，呈現(xiàn)微孔聚集性斷裂特征，為典型的韌性斷裂?？梢杂^察到內(nèi)壁光滑的較大孔洞，這是焊縫中的氣孔，且隨著振動頻率增加，韌窩形態(tài)也發(fā)生變化，由大而淺的韌窩轉(zhuǎn)變?yōu)樾《畹捻g窩。

圖8 不同振動頻率下接頭拉伸斷口顯微形貌Fig.8 Microstructure of tensile fracture of welded joints with different vibration frequencies

3 結(jié)論和展望

（1）與常規(guī)MIG焊相比，機械振動的引入使得焊縫熔深顯著增加，氣孔數(shù)量顯著減少，并且振動頻率越高，焊縫熔深越大，氣孔數(shù)量越少。

（2）機械振動可以細化焊縫晶粒，增加等軸晶區(qū)域的面積，且隨著振動頻率的增大，晶粒細化的程度也在增加。

（3）加入機械振動后，接頭強度和硬度均提升。當振動頻率為100 Hz時，接頭的抗拉強度最高，為244 MPa，相比常規(guī)MIG焊接頭強度提升了8%；焊縫區(qū)平均硬度值也最高，達到了64.5 HV，與未施加機械振動的試樣相比，硬度提升了14.4%。

針對汽車車身全位置焊接的要求，未來還需要繼續(xù)深入研究仰、立焊及不同角度姿態(tài)下施加機械振動對焊縫熔深、氣孔溢出的作用效果，從而獲得最佳的工程應用前景。