鋁合金高純氬MIG焊接應(yīng)用研究

李曙光，林正帥，張澤勇，張志平，孫鵬

1．中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

2．中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011

1 序言

6061-T6鋁合金材料具有良好的綜合性能，如重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好等，被廣泛地應(yīng)用于制造塔式建筑、船舶、電車、鐵道車輛等行業(yè)。目前，針對這種鋁合金材料的焊接，普遍采用以Ar-He混合氣體作為保護氣體的MIG焊接工藝，熔化能力強，抗氣孔效果好，但是隨著He含量的增加，電弧的穩(wěn)定性越來越差，成本越來越高。首先，He的密度僅僅只有Ar的十分之一，要達到相同的保護效果，He的流量應(yīng)是Ar的3～4倍，這就大大增加了焊接成本，其次，采用純He作為保護氣體，電弧不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生飛濺，焊縫表面較粗糙[1]。

Ar是惰性氣體，既不與金屬起反應(yīng)，也不溶于液態(tài)金屬，同時能量損耗低，電弧燃燒穩(wěn)定。在MIG焊接中無飛濺或飛濺很小。由于其密度比空氣大，所以保護效果非常好。在生產(chǎn)中，鋁合金焊接時，氬氣的純度應(yīng)＞99.9%，其中夾雜的氧和氫總的體積分?jǐn)?shù)＜0.005%，氮總的體積分?jǐn)?shù)小于0.015%，控制在0.02mg/L以下。否則就會造成合金元素?zé)龘p，焊縫出現(xiàn)氣孔，表面無光澤、夾渣或發(fā)黑、成形不良等現(xiàn)象。此外，還會影響電弧的穩(wěn)定性，導(dǎo)電嘴回繞頻率加大，使焊絲與母材熔合不好。焊接鋁合金薄板時，主要使用純氬氣作為保護氣體，這主要是因為純氬氣保護時，熱輸入量較小并且熔深淺。

為了降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，本文采用高純氬作為保護氣體，對3～20mm不同厚度的6061-T6鋁合金分別進行了MIG焊接，分別對其全熔透對接接縫、全熔透T形接縫、角焊縫等不同接頭類型以及平焊、立焊和仰焊等不同焊接位置下試件的接頭組織與性能進行了詳細(xì)的研究。

2 焊接工藝試驗

（1）焊接材料 試驗中采用的試板材料為6061-T6鋁合金，其化學(xué)成分見表1。試板尺寸為150mm×300mm，厚度分別為3～20mm，焊絲選用ER5356，φ1.2mm。焊接電流類別為DCEP/+。

表1 6061-T6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）焊前準(zhǔn)備 先打磨試板邊緣30～40mm的范圍，清除試板表層的氧化膜，然后用丙酮清洗去除油污等，否則焊縫中很容易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。干燥試板后采用99.999% Ar作為保護氣體，對處理過的鋁合金試板分別在平焊、立焊和仰焊等不同焊接位置進行MIG焊接，獲得全熔透對接焊縫、全熔透T形焊縫、角焊縫等。

（3）焊接工藝 焊接試板焊前開50°~60°的坡口，采用高純氬MIG焊接對鋁合金試板進行焊接，對4mm以上試板一次性不能焊滿的試件，可以采用多層多道焊，層間溫度控制在80~100℃；對于8mm以上試板，焊前需進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度70~90℃；12mm及以上試板可以選用φ1.6mm的焊絲，同時適當(dāng)增加電流和電壓，增加焊接效率。

（4）焊縫檢測 焊接完成后對試板的整條焊縫進行檢查及探傷。焊縫外觀檢測標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 17637。對于焊縫表面成形較好的對接焊縫進行X射線檢測其內(nèi)部質(zhì)量，射線標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 17636。滲透試驗標(biāo)準(zhǔn)采用ISO 3542。而后切割試板，對其進行金相分析、拉伸、彎曲試驗。根據(jù)ISO 4136標(biāo)準(zhǔn)進行拉伸試驗，按照ISO 5173《金屬材料焊縫破壞性試驗——彎曲試驗》進行彎曲試驗。

3 試驗結(jié)果分析

（1）焊縫質(zhì)量分析 圖1分別為板對接焊縫、全熔透T形焊縫、角焊縫的宏觀形貌，可以看到采用合適工藝焊接的試板，未見咬邊、焊瘤、燒穿、弧坑等表面缺陷。其焊縫宏觀表面熔合良好，焊縫平整、熔寬均勻、余高小，母材和熱影響區(qū)均未見異常。

圖1 不同接頭類型焊縫的宏觀形貌

所有試板的全部焊縫均經(jīng)過滲透檢測，結(jié)果顯示未見需返修的缺陷，達到合格要求。部分試板經(jīng)X射線檢測，基本上沒有裂紋及氣孔缺陷，達到ISO 10042標(biāo)準(zhǔn)中B級要求，符合合格標(biāo)準(zhǔn)。

由以上檢測試驗可以看出，采取平焊位和立焊位較橫焊位和仰焊位，氣孔數(shù)量更少。其主要原因是保護氣體中的含水量下降，使整個弧柱中含氫量相對降低，熔滴在過渡時溶解的氫量減少。在平焊位和立焊位時，保護氣體能形成良好的保護罩，外界空氣不易進入，而且熔池中的氫能在結(jié)晶前及時逸出，所以氣孔明顯減少。但在橫焊位和仰焊位時，由于焊接操作難度增大，保護條件產(chǎn)生變化，而氫在逸出時受到熔池結(jié)晶環(huán)境的影響，來不及逸出從而形成氣孔[2]。

（2）顯微組織分析 對試板的焊縫及附近組織進行了金相觀察，其組織形態(tài)如圖2所示，焊縫熔合良好、接頭組織致密、晶粒細(xì)小、沒有微裂紋、熱影響區(qū)無異常。由于晶界對位錯運動的阻塞作用，晶粒細(xì)化可以有效地提高材料的滑移形變抗力，抑制循環(huán)滑移帶的形成和開裂，增加裂紋擴展的晶界。從疲勞裂紋沿晶界開裂的位錯塞積機制可知，細(xì)化晶粒可以有效提高材料的疲勞強度[3]。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)中黑色小質(zhì)點均勻分布于母材之上，相對于母材，焊后晶粒細(xì)化，疲勞強度提高。

圖2 不同焊接位置的微觀形貌

（3）力學(xué)性能分析 對鋁合金試樣焊接接頭進行拉伸力學(xué)性能測試和彎曲試驗。由于試樣板厚不同，所選取的焊接電流也略有變化，一般隨板厚增加也相應(yīng)增大焊接電流。不過不同焊接電流的條件下獲取的焊接接頭的拉伸強度變化不大，未呈現(xiàn)隨焊接電流的增大導(dǎo)致焊接強度極限降低的趨勢。對焊接接頭進行的彎曲試驗，試樣的背彎和面彎都在180°，無開裂現(xiàn)象。

拉伸力學(xué)性能測試的結(jié)果顯示，所有試驗試板抗拉強度均＞200MPa，斷口位置處于熱影響區(qū)，焊縫未見破壞。如圖3所示熱影響區(qū)及焊縫的金相照片，可以發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)比熱影響區(qū)更加致密。鋁合金在焊接過程中熱影響區(qū)強度出現(xiàn)了弱化，相比于母材和焊縫要低些，最終的斷裂位置在熱影響區(qū)。因為試樣在拉伸的過程中，由于熱影響區(qū)的強度比較低，在此處發(fā)生應(yīng)力集中，原有孔洞在外力的作用下不斷長大，新的孔洞繼續(xù)形成，當(dāng)孔洞相互連接時，形成裂紋，試樣的承載能力下降，發(fā)生斷裂。所有試板彎曲試驗均符合ISO 5173標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上所述，使用高純氬作為MIG焊接的保護氣體，其力學(xué)性能良好，滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不同區(qū)域的微觀形貌

4 結(jié)束語

1）使用高純氬MIG焊接，焊縫宏觀表面熔合良好，焊縫平整。焊縫中未見裂紋、夾雜、未熔合等缺陷。經(jīng)X射線檢測，達到ISO 10042標(biāo)準(zhǔn)中B級要求，符合合格標(biāo)準(zhǔn)。

2）對焊接接頭拉伸力學(xué)性能測試和彎曲試驗，其結(jié)果顯示：所有試件抗拉強度均＞200MPa，斷口位置處于熱影響區(qū)，焊縫未見破壞；彎曲試驗均符合ISO 5173標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）在采取合適的焊接參數(shù)條件下，使用高純氬作為MIG焊接6061-T6鋁合金的保護氣體是可行的，焊縫及熱影響區(qū)等組織與性能滿足規(guī)定要求。