6082鋁合金中厚板高頻脈沖MIG對接焊接頭的組織和性能分析

付寧寧，周祿軍，竺星星，曲宗慶，劉宇陽，王文超，丁成鋼，李宋偉

1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031

2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028

3.鞍鋼集團，遼寧 鞍山 114011

0 引言

鋁合金地鐵車體由底架、側(cè)墻、端墻、車頂組成。作為承載部件的底架最為關(guān)鍵，關(guān)系著整車的質(zhì)量；底架包含邊梁、地板、牽枕緩，其中牽枕緩對底架乃至對整車的安全都起著關(guān)鍵作用［1-3］。牽枕緩結(jié)構(gòu)中包含著多種厚度的鋁合金對接接頭，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫集中、焊接難度大，用傳統(tǒng)的常規(guī)脈沖焊接方法進行焊接，難以保證焊接接頭質(zhì)量［4-5］。

與常規(guī)脈沖MIG焊相比，高頻脈沖MIG焊在相近的焊接線能量（熱輸入）下可獲得更大的脈沖電弧能量密度，具有明顯的優(yōu)勢［6-7］：（1）“一脈一滴”的高頻、高速熔滴過渡特點，使焊接速度更快，與常規(guī)脈沖MIG焊相比，焊接速度可提高30%～40%；（2）弧柱收窄，具有壓縮電弧特性，增加了焊接熔深及電弧的穿透力；（3）熔池金屬在周期性變化的力的作用下得到了充分的振蕩、沖擊和攪拌，有效降低焊接氣孔的敏感性；（4）基本無焊接飛濺。

本文采用高頻脈沖MIG深熔焊工藝方法，對15 mm厚的6082-T6鋁合金板進行對接焊，研究了接頭的焊接成形、微觀組織和力學(xué)性能，以期為地鐵鋁合金焊接制造的工程化應(yīng)用提供研究依據(jù)。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料及焊接準(zhǔn)備

采用常規(guī)脈沖MIG焊（深熔焊模式）和高頻脈沖MIG焊兩種焊接方法。高頻（高速）脈沖MIG/MAG焊機的工作原理：利用雙芯片精確控制IGBT變頻焊機的輸出電弧工作方式，使焊機輸出“不間斷”脈沖電弧即高速脈沖弧，從而增大電弧的線能量，利用芯片高速運算、模擬斬波輸出焊接波形，使熔滴過渡頻率提高，焊接電流越大，頻率提升越大。

試驗?zāi)覆臑?塊規(guī)格300 mm×150 mm×15 mm的6082-T6鋁合金，焊材選用直徑1.2 mm的ER5356，母材和焊材熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。接頭條件：坡口角度40°，焊接間隙1 mm，鈍邊0～0.3 mm。為便于對比分析，常規(guī)脈沖MIG焊接頭簡稱為O401接頭，高頻脈沖MIG焊接頭簡稱為G401接頭。G401接頭焊接線能量為15.21 kJ/cm，O401接頭焊接線能量為17.12 kJ/cm。保護氣體采用純度99.999%的氬氣，氣流量為20 L/min。實際施焊的接頭條件和工藝參數(shù)見表3。

表1 主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Main chemical compositions （wt.%）

表2 主要力學(xué)性能Table 2 Main mechanical properties

表3 實際焊接工藝參數(shù)Table 3 True welding process parameters

1.2 試驗方法

1.2.1 焊接接頭的金相觀察和組織分析

參照EN ISO 17639：2022《焊接接頭的宏觀和顯微檢驗》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定［8］，截取接頭的橫向試樣，用DMi8型萊卡金相顯微鏡觀察和分析O401和G401接頭的宏觀形貌和金相組織，對比分析焊縫成形的宏觀形貌、根部的坡口面熔深及焊縫和過熱區(qū)的微觀組織特征。

1.2.2 拉伸斷口SEM觀察和分析

使用SUPRA-55場發(fā)射掃描電鏡觀察和分析接頭拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口，判斷其斷裂特征。

1.2.3 焊接接頭力學(xué)性能測試和分析

（1）拉伸試驗。參考標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 4136：2022《焊接接頭的橫向拉伸試驗》［9］，使用WDW-300E微機控制電子式萬能試驗機，對G401、O401接頭的標(biāo)準(zhǔn)試樣進行拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/s。拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣的形狀、尺寸和規(guī)格如圖1a所示。

（2）彎曲試驗。參照標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 5173：2016《金屬材料焊縫的有損檢驗-彎曲試驗》的規(guī)定［10］，使用DLGX-E001萬能試驗機對接頭進行側(cè)彎試驗，評定焊縫的塑性及是否存在未熔合的焊接缺陷。彎曲試樣的形狀、尺寸和規(guī)格見圖1b。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌分析

G401、O401接頭的宏觀形貌如圖2所示。由圖可知，在相同的接頭條件下，與常規(guī)脈沖MIG焊相比，采用較小的焊接線能量（EG401=15.21 kJ/cm，EO401=17.12 k J/cm，焊接熱輸入減小約11%），高頻脈沖MIG深熔焊接頭的根部熔深較大，為4.8 mm，根部熔深增加約14%（4.2 mm→4.8 mm），且兩種接頭的焊縫與母材熔合良好，焊接成形良好，焊縫的外觀質(zhì)量達到EN ISO 10042：2005《鋁及其合金弧焊接頭的缺陷評定組別》的B級焊縫的要求［11］。

圖2 兩種工況下的焊接接頭宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of welded joints under two working conditions

2.2 焊接接頭的微觀形貌分析

O401和G401接頭蓋面熔合區(qū)的顯微組織如圖3所示，兩種接頭的顯微組織類型相同，均為α-Al固溶體基體+化合物析出相。焊縫靠近熔合線一側(cè)形成了沿著散熱方向生長、較為粗大的柱狀晶組織。相比G401接頭，O401接頭過熱區(qū)的晶粒更為粗大（見圖3b），這可能是常規(guī)脈沖MIG焊的能量密度集中度不及高頻脈沖MIG焊，焊接熱輸入又較大（17.12 kJ/cm）的原因。

圖3 G401與O401接頭蓋面熔合區(qū)金相組織Fig.3 Metallographic structure of the fusion zone of G401 and O401 joint cover

圖4 拉伸試樣斷口掃描形貌Fig.4 Fracture scanning morphology of tensile specimens

2.3 焊接接頭拉伸性能試驗結(jié)果與分析

G401和O401接頭的拉伸試驗結(jié)果如表4所示，G401和O401工況的平均抗拉強度分別為237.7 MPa和227.8 MPa，接頭的強度系數(shù)T［Rm（W）/Rm（BM）］，即接頭的抗拉強度/母材抗拉強度的下限，分別為79.2%和75.9%。由此可見，G401和O401接頭的強度系數(shù)都超過了60%，均滿足EN ISO 15614-2：2005《鋁及其合金弧焊工藝評定》的要求［12］，這是因為焊接填充量較小，熱影響區(qū)過熱軟化程度較低，同時選擇了40°坡口角度（標(biāo)準(zhǔn)一般為70°坡口角度）。與O401接頭相比，G401接頭的強度系數(shù)提高了約4%，這歸因于高頻脈沖MIG焊的壓縮電弧能量密度較為集中，以及在相同的接頭條件下，其熱輸入較小（E=15.21 kJ/cm）。

表4 G401和O401接頭的拉伸試驗結(jié)果Table 4 Tensile test results of welded butt joints G401 and O401

兩種接頭的拉伸試樣均斷裂于熱影響區(qū)的軟化區(qū)。拉伸斷口的形貌特征相似，為大量的韌窩形貌，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征。

2.4 焊接接頭彎曲性能試驗結(jié)果與分析

O401和G401接頭的側(cè)彎試驗結(jié)果如圖5所示。當(dāng)彎曲角度達到180°時，側(cè)彎試樣的受拉面沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。這表明兩種接頭的塑性良好，焊縫根部、層間、焊縫與母材熔合區(qū)的熔合情況良好，沒有出現(xiàn)未熔合的缺陷。

圖5 側(cè)彎試樣Fig.5 Side bending specimen

3 結(jié)論和建議

（1）板厚15 mm的6082-T6鋁合金G401和O401接頭成形良好，質(zhì)量達到B級焊縫的要求。焊縫金屬層間、焊縫金屬與母材熔合良好，未出現(xiàn)未熔合等缺陷。高頻脈沖MIG深熔焊能顯著提高焊縫根部的熔深，與O401接頭相比，在焊接熱輸入降低約11%的情況下，G401接頭的根部熔深增加約14%。

（2）G401和O401接頭的組織類型相同，均為α-Al固溶體基體+化合物析出相。與G401接頭相比，O401接頭的焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)的晶粒較為粗大。

（3）G401和O401接頭的拉伸試樣呈典型的塑性斷裂。與O401接頭相比，G401接頭的強度系數(shù)略高，高出約4%，達到79.2%，均滿足鋁合金焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)180°彎曲，兩種接頭的側(cè)彎試樣受拉面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，焊接接頭的塑性良好。

（4）高強鋁合金進行MIG焊接，在現(xiàn)行歐洲（國際）標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建議考慮選用新型電弧焊工藝，并適當(dāng)調(diào)整接頭條件，如適當(dāng)減小焊接坡口角度。這樣可以減少焊接填充量、焊接線能量（熱輸入），提高焊接生產(chǎn)效率，同時也能降低焊接熱損傷，進而提高接頭的強度系數(shù)。