6005A鋁合金MIG焊接接頭組織及性能研究

周金旭，徐玉君，齊芃芃，姜丕文，林傳冬，吳振國

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

6005A鋁合金為可熱處理強(qiáng)化Al-Mg-Si系鋁合金，具有中等強(qiáng)度、良好的擠壓性和焊接性，被廣泛應(yīng)用于軌道車輛、汽車制造等行業(yè)[1-3]。6005A鋁合金在生產(chǎn)制造過程中多以型材焊接結(jié)構(gòu)件使用，在鋁合金焊接當(dāng)中，目前常采用的焊接方法為熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)與非熔化極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)，相對于TIG焊而言MIG焊具有更高的熔覆效率及熔深。本文采用MIG焊接方法對2 mm厚6005A鋁合金進(jìn)行了對接、搭接焊，焊后分析了接頭的焊縫成型、力學(xué)性能、接頭合金成分、接頭微觀組織形貌，并對斷口進(jìn)行了微觀分析[4]。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?005A-T6可熱處理強(qiáng)化鋁合金，試板尺寸為300 mm×150 mm×2 mm。填充材料為ER5087，焊絲直徑為φ1.2 mm。保護(hù)氣體為Ar，純度>99.99%，母材和焊絲化學(xué)成分如表1所示，母材力學(xué)性能如表2所示[5]。

表1 6005A鋁合金和ER5087焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 6005A aluminum alloy and ER5087welding wire(mass fraction，%)

表2 6005A鋁合金母材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 6005A aluminum alloy base material

對母材顯微組織形貌進(jìn)行觀察，如圖1所示。

(a)對接試樣1；(b)搭接試樣2圖1 母材顯微組織(a)butt sample 1；(b) lap sample 2Fig.1 Microstructure of base material

(a) 對接接頭；(b) 搭接接頭圖2 焊縫外觀形貌(a)butt join；(b)lap joinFig.2 Welding appearance

(a) 對接接頭；(b) 搭接接頭圖3 焊縫宏觀形貌(a)butt join；(b)lap joinFig.3 Macromorphology of welding

可以看出，母材相形狀主要以骨骼狀及多角形為主。對圖1中方框位置進(jìn)行EDS分析，結(jié)果表明，兩種相所含主要成分為Al、Mg、Si，Al元素以α(Al)形式存在，Mg、Si則形成Mg2Si強(qiáng)化相，如表3所示。

表3 EDS分析結(jié)果Table 3 Analysis results of EDS

焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動鋼絲刷打磨焊縫，至其兩側(cè)25 mm區(qū)域內(nèi)氧化膜露出金屬光澤，并用酒精對待焊部位進(jìn)行清理。

試驗(yàn)采用Fronius CMT 5000焊機(jī)及KUKA KR90機(jī)器人等設(shè)備進(jìn)行焊接，送絲速度與電流、電壓為一元化調(diào)節(jié)方式，即通過選擇送絲速度來設(shè)置焊接電流和電弧電壓。電弧電壓可以通過弧長修正進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫成型情況

圖2為對接接頭與搭接接頭焊縫外觀形貌，焊接接頭表面光滑，焊縫表面存在均勻的魚鱗紋。圖3為對接接頭與搭接接頭焊縫宏觀形貌，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋、氣孔等缺陷，焊接接頭質(zhì)量良好。

2.2 拉伸性能分析

焊后使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸破壞性試驗(yàn)。對接接頭拉伸斷裂試樣見圖4，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為197.5 MPa，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)[7]。焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的68%，接頭存在一定的軟化。

圖4 拉伸斷裂試樣Fig.4 Tensile fracture sample

表5 對接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tensile test results of butt join

對接斷口形貌見圖5，可以發(fā)現(xiàn)接頭斷口較為平緩，存在一定數(shù)量的等軸韌窩，韌窩尺寸較大、較深，斷口面存在部分滑移分離，呈現(xiàn)出蛇形滑動特征；但同時存在一定的解離面，解離面的存在說明存在脆性斷裂，斷口為韌脆混合斷裂。

圖5 對接接頭斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of butt joint

表6為搭接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果，焊接接頭的平均抗拉剪切強(qiáng)度達(dá)到156.5 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的53%。搭接接頭拉伸試樣斷裂位置見圖6，接頭在焊縫處斷裂，起裂源位于焊縫根部，在拉伸與剪切力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中首先開裂[8]。

圖6 搭接接頭拉伸試樣斷裂位置Fig.6 Fracture location of lap joint tensile sample

表6 搭接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Tensile test results of lap join

搭接接頭斷口形貌見圖7，可以發(fā)現(xiàn)接頭的斷口比較凹凸，存在尺寸較大、較深的韌窩；但同時存在明顯的準(zhǔn)解離面，說明接頭發(fā)生了準(zhǔn)解離斷裂，而準(zhǔn)解離斷裂是介于解離斷裂與韌窩斷裂之間的過渡斷裂形式，斷口為韌脆混合斷裂。

圖7 搭接接頭斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of lap join

2.3 焊接接頭金相組織及能譜分析

圖8(a)、8(b)為對接接頭焊縫區(qū)與熔合線附近組織，圖8(c)為搭接接頭金相組織。可以看出，兩種接頭的焊縫區(qū)存在明顯的等軸晶與樹枝晶，熔合線靠近焊縫一側(cè)為粗大的柱狀晶[7]，對接接頭熔合線附近柱狀晶更為粗大并垂直于熔合線方向生長；搭接接頭熔合線靠近焊縫側(cè)柱狀晶更為細(xì)小，方向性不明顯，靠近母材側(cè)則存在細(xì)小的等軸晶，熱影響區(qū)組織存在一定程度的長大。

(a) 對接接頭焊縫區(qū)；(b) 對接接頭熔合線；(c) 搭接接頭圖8 焊接接頭金相組織(a)welding zone of butt joint；(b)usion line of butt joint f;(c)lap jointFig.8 Microstructure of welded joint

(a)對接試樣位置1；(b)對接試樣位置2；(c)搭接試樣位置1；(d)搭接試樣位置2圖9 焊接接頭EDS分析(a) position 1 of butt sample;(b) position 2 of butt sample;(c) position 1 of lap sample;(d) position 2 of lap sampleFig.9 EDS analysis of welded joint

對焊接接頭進(jìn)行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)存在不同形狀的強(qiáng)化相，對接接頭試樣位置1、位置2強(qiáng)化相為長條骨骼狀，搭接接頭試樣位置1、位置2分別為多角形和骨骼狀，如圖9所示。對其進(jìn)行EDS成分分析，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。可以發(fā)現(xiàn)，對接試樣位置1、位置2以及搭接試樣位置1含有Al、Mg和Si元素，說明該強(qiáng)化相為Mg2Si，Al則以α(Al)基體形式存在；搭接試樣位置2只含有Al、Mg元素，表現(xiàn)出了β(Mg5Al8)相的特征。

表7 EDS分析結(jié)果Table 7 Analysis results of EDS

3 結(jié)論

1)對接接頭平均抗拉強(qiáng)度為197.5 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的68%，接頭斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)；搭接接頭平均抗拉剪切強(qiáng)度達(dá)到156.5 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的53%，在焊縫處斷裂。

2)對接接頭斷口表面較為平緩，存在一定數(shù)量的韌窩，韌窩尺寸較大、較深，存在一定的解離面，斷口為韌脆混合斷裂；搭接接頭斷口表面比較凹凸，存在尺寸較大、較深的韌窩，存在一定的準(zhǔn)解離面，斷口為韌脆混合斷裂。

3)兩種接頭的焊縫區(qū)為等軸晶與細(xì)小的樹枝晶，對接接頭熔合線靠近焊縫一側(cè)為粗大的柱狀晶垂直于熔合線方向生長；搭接接頭熔合線靠近焊縫側(cè)柱狀晶更為細(xì)小，方向性不明顯，靠近母材側(cè)則存在細(xì)小的等軸晶。

4)母材主要強(qiáng)化相為Mg2Si，焊縫中存在的強(qiáng)化相主要為β(Mg5Al8)，并存在一定數(shù)量的Mg2Si。