5083-H111鋁合金軋制板焊接性能及組織研究

王 強，張坤倫

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

隨著高速鐵路的飛速發展，高速列車輕量化成為鐵路運輸行業現代化的重要目標[1]。由于鋁合金材料具有諸多優點，被廣泛應用到現代交通運輸領域中[2]，特別是高速車輛中。相比于如塑料、普通鋼材、不銹鋼等其他材料，鋁合金具有更好的安全性、科學性和經濟性[3]。隨著鋁合金產品的廣泛應用，也給焊接工藝提出了更高要求，特別是5×××系和6×××系鋁合金。其中的5083鋁合金是一種典型的結構用鋁合金，具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性能和加工性能優良等特性，廣泛應用于航空航天、軌道運輸、汽車、電工化工、橋梁建筑、導彈零件等大型工業領域[4-5]。

目前，大多數針對鋁合金5083-H111的研究主要是研究不同焊接參數對焊接接頭的影響。而本文主要針對5083-H111鋁合金軋制板材的焊接性能及組織進行研究，采用自動化焊接，分析軋制板材焊接性能，進而獲得理想的焊接接頭，驗證軋制板的焊接性能，為其自動化焊接生產提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2塊5 mm厚的5083-H111軋制板，其母材成分如表1所示。

表1 5083-H111鋁合金板材化學成分（質量分數/%）

試驗選用的焊材為某公司生產的進口焊絲EN ISO18273 S AL 5087，焊材成分如表2所示。

表2 焊材的化學成分（質量分數/%）

本試驗使用自動MIG焊對試板進行焊接，設備選用型號為RTI 496-S的IGM懸臂機械手，焊機型號為Fronius TPS 5000。采用自動焊焊接試板，坡口形式為70°V型坡口，詳見圖1所示。

圖1 坡口形式及焊縫示意圖

焊前使用酒精及碗刷清除坡口及其兩側各50 mm區域內的油污及氧化膜，并使用工裝夾具夾緊兩塊試板。焊接時，采用兩層兩道焊接法進行焊接，保護氣體為99.999%的氬氣，氣體流量為45 L/min。經焊接試驗優化，確定最佳焊接參數如表3所示。

表3 試板焊接參數

焊后分別對母材和焊縫按照ISO檢驗標準對試板進行外觀檢測、滲透檢測等無損檢測，確定符合標準ISO10042-B級要求后，對焊接試板進行加工取樣，分別進行力學試驗、微觀組織觀察、顯微硬度試驗，分析焊縫微觀組織，驗證最佳自動化焊接工藝參數。

2 試驗結果及分析

2.1 微觀金相分析

在5083-H111的母材區截取金相試樣。母材微觀金相試樣經研磨和拋光后，用Keller試劑酸腐蝕，在Neept-21型臥式金相顯微鏡下觀察分析。母材區金相試樣的微觀金相如圖2所示。從圖中可知，母材組織中存在著大量的狹長軋制組織，主要為α相及已從中充分析出的彌散β相，晶粒則以再結晶的等軸晶組織和冷加工變形的纖維組織這兩種狀態混合共存，其中α相為Mg在Al中的固溶體，β相為Mg與Al形成的金屬化合物Mg2Al3[5-6]。

圖2 5083-H111鋁合金母材微觀金相（200倍）

焊接接頭微觀金相試樣經研磨和拋光后，用Keller試劑酸腐蝕，在Neept-21型臥式金相顯微鏡下觀察分析。焊接接頭各部位微觀金相圖片如圖3所示。圖3（a）中標記1、2、3、4、5分別對應焊接接頭的熱影響區（HAZ區）、蓋面焊熔合區、打底焊熔合區、蓋面焊焊縫區和打底焊焊縫區。

圖3 5083-H111鋁合金焊接接頭微觀金相

從圖3（b）上可以看出，晶粒較母材有一定程度的晶粒長大情況，且部分位置出現晶粒異常粗大現象，這是由于熱影響區受到焊縫區域的熱傳導的影響，使部分晶粒合并長大，導致β相強化減弱，但纖維組織會再結晶并向等軸晶轉變。原有β相、新析出β相以及纖維組織再結晶生成析出的β相直接造成了HAZ區的β相數量增多，這時β相的彌散強化對強度的提高足以彌補部分晶粒粗大的損失，甚至會使其有所提高。

圖3（c）、（d）所示熔合區的晶粒在焊縫區影響下，晶粒明顯長大，但β相的數量比母材區、HAZ區的明顯增多，其中小尺寸的β相占據了相當大的比例。由于在焊接時，近焊縫熔合區的化學成分與母材相近，此區域會完全熔化，在其結晶過程中會析出大量的β相。這些析出或重新聚集長大的β相對熔合區起到彌散強化作用[7]。

圖3（e）、（f）取自焊縫區，其組織為典型的鑄態金屬枝狀晶。蓋面焊的焊縫區，枝狀晶較細小且均勻分布，部分部位聚集嚴重；而圖3（f）的打底焊的焊縫區，枝狀晶較粗大，且晶粒嚴重聚集。這是因為在焊接過程中焊縫區溫度較高，凝固時散熱方向受限，所以冷卻速度比焊接接頭其他部位慢，易形成粗大的結晶。此外，焊縫區金屬凝固時的不均勻性以及焊絲成分中含量較高的Mg和Mn，易造成低熔點共晶物在晶界處偏析聚集，從而更易形成較大的晶粒，故板材焊縫的下部晶粒明顯大于表面部分。

2.2 顯微硬度試驗及分析

在焊縫、母材及熱影響區分別取點進行試驗，在用相同參數焊接的3個試板上分別取3個平面試樣進行硬度試驗，檢測焊縫硬度，獲得的顯微硬度試驗結果如圖4所示。

圖4 焊接接頭橫向顯微硬度分布圖

從焊縫層面硬度變化曲線可以看出，焊縫區域強度略高于母材，這是因為填充焊絲強度略高于母材導致焊縫強度提升。但是熱影響區和母材的硬度基本一致，并未發生因焊接導致的熱影響區軟化現象。同時，5083-H111是經過加工硬化處理的鋁合金，本身硬度很高，由于焊接熱循環的影響，使熱影響區的組織發生回復再結晶，使接頭軟化，焊縫中心為樹枝狀鑄態組織，并且靠近熔合線處還有柱狀晶的存在，即使晶粒尺寸較小，但其硬度也沒有母材硬度大。總體來看，從熱影響區到母材，硬度的變化都不大，這也從側面驗證了焊縫熔合線區域內性能的均勻性[8]。

2.3 拉伸試驗結果及分析

為保證焊縫強度系數的準確性，對母材及試板均進行了拉伸試驗，試驗在AG-X 250KN電子萬能試驗機上進行。母材的拉伸結果見表4，焊接的試板拉伸結果見表5。

表4 母材拉伸結果

表5 焊接試樣拉伸結果

從兩表中可以看出，焊接試板的抗拉強度僅略低于母材，最小焊縫強度系數為0.920，平均焊縫強度系數為0.959，說明5083-H111鋁板雖然焊縫斷裂位置均在焊縫區域，但是強度基本和母材接近，說明其具有良好的焊接性。

從表5中可以發現，與可熱處理鋁合金的拉伸斷裂位置主要發生在HAZ區的軟化部位不同，焊接試板的斷裂位置均處于焊縫區。由于焊縫區域峰值溫度超過再結晶溫度，晶粒再結晶，經過加工硬化產生的內應力消除，焊縫區域晶粒長大嚴重，導致焊接接頭的硬度降低，甚至抵消了冷作硬化的強化效果，所以斷裂位置發生在焊縫區[9]。

3 結論

（1）5083-H111鋁合金軋制板焊接時，焊接HAZ區和熔合區會析出大量的β相，均勻地彌散在基體上，起到彌散強化作用。盡管軋制板材本身經加工硬化可以抵消一部分晶粒長大帶來的強度損失，但是由于焊縫區域晶粒長大更嚴重，所以才會在焊縫區域出現拉伸試驗斷裂的現象。

（2）5083-H111鋁合金軋制板的自動化焊接，其焊接接頭力學性能良好，可以顯著提高焊接效率，對汽車及軌道車體部分部件的自動化焊接有參考意義。