鋁合金高純氬MIG焊接應用研究

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

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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，被廣泛地應用于制造塔式建筑、船舶、電車、鐵道車輛等行業。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，電弧不穩定，容易產生飛濺，焊縫表面較粗糙[1]。

Ar是惰性氣體，既不與金屬起反應，也不溶于液態金屬，同時能量損耗低，電弧燃燒穩定。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。在生產中，鋁合金焊接時，氬氣的純度應＞99.9%，其中夾雜的氧和氫總的體積分數＜0.005%，氮總的體積分數小于0.015%，控制在0.02mg/L以下。否則就會造成合金元素燒損，焊縫出現氣孔，表面無光澤、夾渣或發黑、成形不良等現象。此外，還會影響電弧的穩定性，導電嘴回繞頻率加大，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。

為了降低生產成本，提高企業經濟效益，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鋁合金化學成分（質量分數） （%）

（2）焊前準備 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，焊前需進行預熱，預熱溫度70~90℃；12mm及以上試板可以選用φ1.6mm的焊絲，同時適當增加電流和電壓，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。焊縫外觀檢測標準采用ISO 17637。對于焊縫表面成形較好的對接焊縫進行X射線檢測其內部質量，射線標準采用ISO 17636。滲透試驗標準采用ISO 3542。而后切割試板，對其進行金相分析、拉伸、彎曲試驗。根據ISO 4136標準進行拉伸試驗，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 試驗結果分析

（1）焊縫質量分析 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過滲透檢測，結果顯示未見需返修的缺陷，達到合格要求。部分試板經X射線檢測，基本上沒有裂紋及氣孔缺陷，達到ISO 10042標準中B級要求，符合合格標準。

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，保護條件產生變化，而氫在逸出時受到熔池結晶環境的影響，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，其組織形態如圖2所示，焊縫熔合良好、接頭組織致密、晶粒細小、沒有微裂紋、熱影響區無異常。由于晶界對位錯運動的阻塞作用，晶粒細化可以有效地提高材料的滑移形變抗力，抑制循環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，細化晶粒可以有效提高材料的疲勞強度[3]。由圖2可以發現，熱影響區中黑色小質點均勻分布于母材之上，相對于母材，焊后晶粒細化，疲勞強度提高。

圖2 不同焊接位置的微觀形貌

（3）力學性能分析 對鋁合金試樣焊接接頭進行拉伸力學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，未呈現隨焊接電流的增大導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°，無開裂現象。

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

圖3 不同區域的微觀形貌

4 結束語

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X射線檢測，達到ISO 10042標準中B級要求，符合合格標準。

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

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