6082-T6鋁合金等離子-CMT復合熱源焊接特性研究

趙函　辛志彬　楊志斌

摘要：以6 mm厚6082-T6鋁合金為試驗母材開展等離子-CMT復合焊接試驗，分析焊接工藝參數對焊縫成形的影響規律，以及接頭的組織特征、硬度分布及拉伸性能。獲得最優焊接工藝參數為：等離子電流130 A、送絲速度8 m/min、焊接速度50 cm/min，等離子氣流量7 L/min。焊縫中心組織主要為等軸晶，熱影響區較窄且硬度值最低，接頭平均抗拉強度達228.4 MPa，為母材抗拉強度的77.4%，斷裂位置在焊接接頭的熱影響區，呈現韌性斷裂特征。

關鍵詞：鋁合金;等離子-CMT復合焊接;組織特征;硬度分布;拉伸性能

中圖分類號：TG457.14文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0103-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.18

0 前言

鋁合金因具有比強度高、密度小、耐腐蝕性能強、適于加工等優點，而被廣泛應用于航空航天、高速列車、船舶制造等諸多領域[1]。傳統的MIG焊接方法進行鋁合金焊接時，由于其線能量較大，導致焊接變形大、接頭軟化嚴重等突出問題[2]。等離子-MIG復合焊兼具等離子弧焊和MIG焊的優勢，可有效降低焊接線能量，減小焊接變形[3-4]。

CMT（冷金屬過渡）焊作為一種新型MIG焊方法，在降低焊接熱輸入方面更具優勢。等離子-CMT復合焊在鋁合金的焊接上體現出焊接變形小、焊接效率高、焊縫成形好、焊接適應性強、焊接飛濺少的技術特點[5]。但是，現階段鮮有關于鋁合金等離子-CMT復合焊研究的文獻報道。

本文以6 mm厚6082-T6鋁合金為試驗母材，開展了等離子-CMT復合焊工藝試驗研究，并分析焊接工藝參數對焊縫成形的影響，以及接頭的組織特征、硬度分布和拉伸性能。

1 試驗材料及方法

試驗母材為6082-T6鋁合金，尺寸為200 mm×150 mm×6 mm，接頭形式為對接。采用直徑1.2 mm的ER5356鋁鎂焊絲為填充材料，用純度為99.999%的氬氣作為焊接保護氣與等離子工作氣體。6082-T6鋁合金的化學成分如表1所示。

試驗采用旁軸式等離子-MIG復合焊接系統（CMT模式）。焊接過程中使用等離子控制柜對等離子弧進行參數設定與控制。保護氣體流量為20 L/min。采用一體式復合焊槍，焊接時等離子在前、CMT在后，等離子弧與試件表面垂直，焊絲與試件夾角約60°，試件裝配間隙1 mm，焊接過程示意如圖1所示。焊接工藝參數范圍如表2所示。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接工藝參數的選擇

基于前期等離子-MIG焊接6082-T6鋁合金試驗的焊接工藝參數及查閱相關文獻可確定6082-T6鋁合金等離子-CMT焊接工藝參數如表3所示。按焊縫的熔透程度分為熔透與未熔透。此外，還要觀察焊縫的正面成形情況，如是否焊接連續、是否有明顯魚鱗紋等[6]。綜合以上標準對不同參數下焊縫的表面成形情況進行評定，結果如表4所示。

結合表4可知，當保持其他參數不變，焊接速度過快時，熱輸入量減小，焊縫出現未熔透現象，且因單位長度焊縫內達到的熔滴數量減少而出現明顯的魚鱗紋。當其他參數不變，送絲速度過慢時，熔化的液態焊絲未及時送達熔池，熔敷能力降低，焊縫出現咬邊、燒穿等缺陷;當等離子電流130 A、送絲速度8 m/min、焊接速度50 cm/min、等離子氣流量7 L/min，試件被完全熔透，焊縫正面成形連續。

為了進一步確定最佳焊接工藝參數，選取焊縫成形較好的焊接接頭進行拉伸試驗，結果如表5所示，當等離子電流130 A、送絲速度8 m/min、焊接速度50 cm/min、等離子氣流量7 L/min時，平均抗拉強度約為228.4 MPa，達到母材抗拉強度的77.4%。通過試驗還可以發現，拉伸試件的斷裂位置均在焊接接頭的熱影響區。由此可見，熱影響區位置的力學性能相對較差。

2.2 焊縫組織分布特征

圖2a為母材的微觀形貌，其微觀結構為原始軋制狀態組織，組織分布較為均勻。圖2b為在低倍顯微鏡下熔合區的微觀形貌，可看到位于焊縫與熱影響區之間的熔合區;位于熔合線左側的熱影響區較窄，并且未出現特別明顯的晶粒粗化現象。圖2c為高倍顯微鏡下熔合區的微觀形貌，可觀察到熔合區靠近焊縫區一側的組織多為等軸晶組織，晶粒大小不均勻，沿焊縫散熱方向還存在少量柱狀晶。熱影響區的晶粒受熔合區的熱傳導作用被快速加熱到再結晶溫度，導致熱影響區的晶粒長大，組織分布不均勻，力學性能較差。

圖2d與圖2e分別為焊縫中心上部與底部區域的微觀形貌，焊縫中心區域出現大量等軸晶，且焊縫中心晶粒的取向與熔合線附近的晶粒取向存在很大差別，基本毫無規律可言。焊縫中部的晶粒較上部晶粒粗大，而底部晶粒較為細小，這是由于在進行焊接試驗時，試件底部與夾具銅板接觸而熱傳導較快，冷卻速度較快，高溫停留時間短于焊縫中上部區域，因此，焊縫底部的晶粒尺寸明顯小于焊縫上部寸。

2.3 焊縫硬度分布及拉伸試驗結果

6082-T6鋁合金等離子-CMT復合焊接接頭的顯微硬度分布如圖3所示。可以看出，6082-T6鋁合金的顯微硬度均以焊縫為中心向兩側近似對稱分布，其中母材硬度最高，為93.3 HV，焊縫中心硬度低于母材，為74.5 HV。熔合區硬度最低，為68.4 HV，且越靠近熔合線，顯微硬度越低，硬度分布變化整體呈現“W”型。

拉伸試樣斷裂位置如圖4所示，拉伸斷口呈45°角，表面為灰暗色。掃描電鏡下拉伸斷口的微觀形貌如圖5所示，焊縫區域存在著大量被拉伸的韌窩，綜合其斷口宏觀形貌可以判斷拉伸試樣為韌性斷裂。

3 結論

本文對等離子-CMT焊接開展研究，對6 mm厚6082-T6鋁合金板進行焊接試驗，接頭形式采用對接接頭，開展焊接工藝試驗，分析了接頭的宏觀形貌觀察、微觀組織特征、顯微硬度分布及拉伸性能，得出以下結論：

（1）6 mm厚6082鋁合金等離子-CMT復合焊接接頭的最佳焊接參數為等離子電流130 A、送絲速度8 m/min、焊接速度50 cm/min，等離子氣流量7 L/min。

（2）6082鋁合金等離子-CMT復合焊接接頭的焊縫中心組織為等軸晶;熱影響區較窄，晶粒粗化的現象不明顯。熔合區分布著少量柱狀晶，組織不均勻。

（3）6082-T6鋁合金母材的顯微硬度最高，約為93.3 HV;焊縫中心的顯微硬度次之，約為74.5 HV;熔合區的顯微硬度最低，約為68.4 HV。

（4）在最佳工藝參數下，焊接接頭的抗拉強度可達228.4 MPa，約占母材抗拉強度的77.4%。拉伸試樣斷口位于焊縫熱影響區，為韌性斷裂特征。

參考文獻：

[1] 劉靜安. 鋁合金材料的應用與技術開發[M]. 北京：冶金工業出版社，2004.

[2] 魏波，潘厚宏. 鋁合金等離子-MIG復合焊接工藝研究[D].四川：西南交通大學，2014.

[3] 田云，李德元，董曉強. 等離子-MIG焊接鋁合金的規范優化及組織分析[J]. 沈陽工業大學學報，2004，26（5）：502-504.

[4] 石磊. 5A06鋁合金Plasma-MIG焊工藝研究[D]. 黑龍江：哈爾濱工業大學，2006.

[5] Kim C H，Ahn Y N，Lee K B. Droplet transfer during conventional gas metal arc and plasma-gas metal arc hybridwelding with Al 5183 filler metal[J]. Current Applied Physics，2012（12S）：178-183.

[6] 孫磊，董曉強，高賀. 鋁合金同軸式等離子-MIG焊接工藝[J]. 電焊機，2007，37（9）：20-22.