TIG重熔對6005A-T6鋁合金焊接接頭組織及性能的影響

金 鑫，康 銘，徐玉君，盧小磊，周金旭

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111000)

鋁合金具有自身質量小、耐腐蝕、外觀平整度好、容易制造成復雜曲面、比強度高等優點，因此受到世界各國軌道交通業的重視[1]。6005A鋁合金為可熱處理強化鋁合金，是一種中等強度鋁合金，鋁合金焊接結構中焊接接頭焊趾處容易產生咬邊等焊接缺陷，采用TIG重熔方法對焊接頭焊縫處及焊趾處進行焊接修復，清除可能產生的咬邊等缺陷，使焊縫形貌得到改善。本文主要針對6005A-T6鋁合金采用MIG焊后進行TIG焊重熔焊接工藝，TIG焊采用有無脈沖，重熔位置分為焊縫處和焊趾處，對重熔前后焊接頭的組織及力學性能進行對比分析。

1 試驗材料、設備及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗母材為3mm厚6005A-T6鋁合金延壓板材，試板尺寸為300mm×150mm×3 mm，焊絲為Φ1.2mm的ESAB5356焊絲。母材成分(質量分數，%)為，Si 0.63，Mg 0.70，Fe 0.35，Cu 0.30，Mn 0.48，Cr 0.30，Zn 0.18，Al余量；其力學性能，Rp0.2為272.2MPa，Rm為305.2MPa，A為13.4%。

1.2 焊接設備及試驗方法

焊接設備采用福尼斯TPS-5000 MIG焊機，松下YC-3008P TIG焊機，采用99.99%純度Ar進行保護。

(1)焊前采用機械打磨方法將焊縫兩側25mm范圍內進行表面清理去除表面氧化膜及油污等雜質，清理后的試驗板要立即進行焊接，防止母材長時間暴露在空氣中再次形成氧化膜；

(2)對6005A-T6鋁合金采用對接接頭形式，先進行MIG焊接，焊接完成后采用TIG焊對接頭焊縫處部位進行重熔，分別采用無脈沖及加脈沖形式進行重熔，需獲得良好的焊縫形貌，分析有無脈沖對焊縫重熔的影響；

(3)采用無脈沖TIG焊對接頭焊趾處進行重熔，對6005A-T6鋁合金焊接接頭TIG重熔前后的顯微組織形貌、顯微硬度、拉伸性能、SEM進行分析。室溫下用脫脂棉蘸腐蝕液在金屬試樣表面擦拭，腐蝕溶液為1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O，擦拭時間為10s，腐蝕完成后用流動清水沖洗，再進行酒精清洗后烘干。焊接試驗參數見表1。

2 試驗結果分析

2.1 焊接接頭金相顯微組織分析

使用蔡司M2m光學顯微鏡對焊接接頭焊縫及熔合線處進行金相組織觀察，圖1至圖4分別為MIG焊未重熔、無脈沖TIG在焊趾處重熔、脈沖TIG在焊縫處重熔、無脈沖TIG在焊縫處重熔4種焊接工藝方法焊接接頭焊縫及熔合線處金相顯微組織。

表1 焊接參數

圖1 MIG焊未重熔組織

圖2 無脈沖TIG焊趾處重熔組織

圖3 脈沖TIG焊縫處重熔組織

圖4 無脈沖TIG焊縫處重熔組織

圖1(a)為未進行重熔處理的焊縫處金相組織，焊縫處快速加熱及冷卻，枝晶網組成物已部分固溶，并從α(Al)基體中析出大量的β相的彌散質點，焊縫區組織為等軸晶和樹枝晶的混合物，部分區域聚集，分布不均勻。圖2(a)、圖3(a)、圖4(a)分別為無脈沖TIG焊趾處重熔、脈沖TIG焊縫處重熔和無脈沖TIG焊縫處重熔金相顯微組織，從圖中可以看出，無論是在焊趾處重熔，還是在焊縫處重熔，焊縫處組織與重熔前組織組成物基本一致，但彌散質點β相分布的更加均勻。

圖1(b)、圖2(b)、圖3(b)、圖4(b)分別為TIG重熔前后焊接接頭熔合線處金相顯微組織，從金相組織可以看出，熔合區處柱狀晶明顯長大，方向性較強，熔合區溫度梯度較大，沿著散熱較快方向的反向晶粒長大速度較快，垂直于熔合線的方向即為散熱最快的方向，即借助半熔化的晶粒形核，沿垂直于熔合線方向發生聯生柱狀晶粒生長[2]。隨著柱狀晶向熔池內部不斷生長推進，熔池區域開始慢慢縮小，由于成分過冷，熔池區開始逐漸形核，最后形成大量的等軸晶粒。相比于重熔前，焊縫處及焊趾處重熔后的接頭熱影響區相對較寬，組織晶粒更加粗大，組織疏松。對比圖3(b)和圖4(b)，在焊縫處進行TIG重熔，無脈沖TIG重熔時的熱影響區明顯大于有脈沖TIG重熔時的熱影響區，這是由于無脈沖TIG重熔時，焊接電流相對較大，導致焊接熱輸入增大，焊縫凝固時間變長，有利于晶粒生長，但接頭的力學性能相對較差。

2.2 顯微硬度測試

按照GB/T 2654-2008《焊接接頭硬度試驗方法》制備硬度試樣，儀器采用FV-810維氏顯微硬度計，以焊縫中心為原點向兩側每隔1mm打一個點，每側20個點，TIG重熔前后的焊接接頭顯微硬度分布曲線如圖5所示。從圖5可以看出，重熔后接頭的熱影響區較寬，這主要是由于二次焊接熱量疊加所導致的，TIG重熔前后，焊縫處及熱影響區處硬度大大低于母材，硬度曲線走勢大致相同，并沒有出現異常走向，TIG重熔前后出現硬度最低的位置均為熱影響區處，說明在熱影響區處存在比較明顯的軟化區，該區域晶粒組織粗大，力學性能較差，硬度值較低。TIG重熔前后的硬度值相差不大，未超過5HV。

圖5 TIG重熔前后顯微硬度曲線

2.3 拉伸性能測試

對TIG重熔前后的試件進行室溫拉伸試驗，根據GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》制備拉伸試樣件，使用島津AG-X 100KNH型電子萬能實驗機進行橫向室溫拉伸實驗。拉伸試驗結果見表2，拉伸試樣如圖6所示。拉伸試驗結果顯示，斷裂位置均為熱影響區，這與上一部分硬度最小值出現在熱影響區相匹配，表明熱影響區為焊接接頭最為薄弱的地方;TIG重熔后的抗拉強度均小于重熔前，但接頭系數均達到母材實際抗拉強度的60%以上，符合ISO15614-2標準接頭系數要求。

表2 拉伸試驗結果

圖6 拉伸試樣

脈沖TIG焊在焊縫處重熔的抗拉強度大于無脈沖TIG焊在焊趾處及在焊縫處重熔的抗拉強度，這是由于脈沖TIG焊在焊縫處重熔時，焊接電流要小于無脈沖TIG焊，焊接熱輸入較小，晶粒較為細小，力學性能較好。在焊趾處進行無脈沖TIG重熔時，雖然焊接電流較小，但由于兩側均進行重熔，且鋁合金的熱導性較好，使得熱影響區處晶粒繼續長大，導致力學性能降低。

2.4 斷口分析

采用島津SSX-550分析掃描電子顯微鏡對焊接件拉伸斷口形貌進行觀察，掃描結果如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，TIG重熔前，韌窩較深且分布比較均勻，說明塑韌性較好，從韌窩的大小及數量上來看，TIG重熔前拉伸斷裂為韌性斷裂。

圖7 拉伸試樣

圖7(b)(c)(d)為TIG重熔后拉伸斷口形貌，相比于無脈沖TIG在焊趾及焊縫處重熔，脈沖TIG在焊縫處重熔時，韌窩數量較多，韌窩較淺，雖然粗細不均勻，但也表現出良好的拉伸性能，塑性不如母材，從韌窩數量及大小可判斷斷裂機理為韌性斷裂；圖7(b)(d)韌窩數量較少，但韌窩大而深，表現出良好的塑韌性，韌窩大小不均勻，隨著負載的不斷增大和材料塑性變形的進行，大量位錯進入到微孔之中，使得微孔逐漸長大，直到微孔聚集到臨界尺寸后導致材料斷裂，但是斷口仍為韌性斷裂。

TIG重熔前后拉伸斷裂均為韌性斷裂，說明重熔處理未對斷裂機理造成影響，這說明鋁合金焊接試樣在焊后若產生咬邊等焊接缺陷，可采用TIG焊對其進行重熔修復處理。

3 結論

(1)TIG重熔后焊縫處彌散質點分布的更加均勻，熱影響區寬度明顯大于重熔前，組織晶粒更加粗大，這是由于TIG重熔二次焊接熱量疊加，焊縫凝固時間延長，有利于組織生長。

(2)TIG重熔前后硬度最低值均出現在熱影響區處，與拉伸試驗斷裂位置相一致，說明在熱影響區處出現軟化區，重熔前后的硬度值相差不大，硬度曲線走勢大致相同。

(3)MIG焊后對6005A-T6鋁合金進行TIG重熔抗拉強度較重熔前有所下降，但接頭系數仍達到0.6以上，焊后質量達到標準要求。TIG重熔前后的拉伸斷口均出現大量的韌窩，拉伸斷裂均為韌性斷裂，表明在進行TIG重熔處理后并未對斷裂機理造成影響。綜上所述，當焊縫表面出現咬邊等缺陷時，可以使用TIG重熔方法對其進行修補。