6082–T651鋁合金焊接裂紋與約束狀態試驗分析

夏茂燕，許民，王藝

湖南聯誠軌道裝備有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

6082-T651鋁合金是以Mg、Si為主要合金元素，由α-Al和Mg2Si兩相組成，其中Mg2Si為強化相的變形鋁合金。該系列鋁合金具有中等強度、耐蝕性高、無應力腐蝕傾向、焊接性良好、焊接區域腐蝕性能不變，以及成形性和工藝性能良好等優點[1]。由于該系列鋁合金具有突出的性能優勢，因此6082鋁合金被廣泛用于制造軌道交通地鐵車輛。相比于5系鋁合金，6082鋁合金的焊接裂紋敏感性更高，主要因為6082鋁合金的焊接凝固裂紋屬于裂紋沿液膜分離的開裂模型，在高溫狀態下液膜本身的強度和塑性都很低，只需施加極小的應變，液膜就會開裂，所以裂紋敏感性較高[2]。

焊接過程中除冶金因素外，力學因素也會影響焊縫的抗裂性。鋁合金焊縫金屬在固-液階段會形成“液態薄膜”，此時液態鋁合金較少，隨著晶體形核長大，晶間液態鋁合金運動受阻，在拉應力作用下產生的微小縫隙無法得到有效填充，便有產生裂紋的可能性[3]。

在鋁合金軌道車輛焊接過程中，適宜的焊接工藝可有效地控制焊接裂紋的產生，比如焊接方法、坡口形式、焊接電流、焊接速度及保護氣體等[4-6]。為此，本文在保證其他焊接工藝均相同的情況下，僅改變焊接接頭的約束狀態，對不同約束狀態下的焊縫進行檢測分析，同時用ANSYS軟件對不同約束狀態下的焊縫進行有限元仿真分析，以便研究裝配約束對焊接應力和裂紋的影響，為6082-T651鋁合金材料焊接結構設計提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用母材為E N A W 6 0 8 2-T 6 5 1（以下簡稱6 0 8 2-T 6 1 5）鋁合金，試板規格為

300mm×100mm×12mm、300mm×100mm×10mm

兩種；填充材料為φ1.2mm的AlMg4.5MnZr焊絲，牌號為ER5087；保護氣為99.999%Ar。根據GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發射光譜分析方法》對試驗母材進行理化檢測，結果見表1～表3。

表1 6082-T651的化學成分（質量分數） （%）

表2 6082-T651的力學性能

表3 填充材料ER5087的化學成分（質量分數）（%）

試驗前對6082-T651鋁合金母材進行了微觀金相檢測分析，金相組織如圖1所示。從圖1可看出，母材具有明顯的軋制特征，沿軋制方向分布著纖維狀組織，也可以看到在α-Al基體上呈點狀分布的Mg2Si強化相。

圖1 6082-T651 鋁合金母材金相組織

2.2 試驗方法

采用TransPuls Synergic 5000型焊機，分別對自由狀態和約束狀態的試板進行MIG焊接。自由狀態指將水平試板和垂直試板均處于完全自由狀態，如圖2a所示。約束狀態指將水平試板的左右兩側進行定位焊固定，垂直試板底部定位焊固定，即對圖2b中①～⑤的棱邊位置進行固定（位置④的實際固定位置在其反面）。

圖2 焊接試板裝配示意

兩對焊接試板除裝配方式不同外，焊接工藝、焊接參數等均完全相同。焊接接頭形式為8Y/a3，如圖3所示。

圖3 試件焊接接頭形式示意

焊前使用有機溶劑清洗待焊區域，去除油污雜質，并用鋼絲輪拋光除去鋁合金表面的氧化膜。由于試板厚度為12mm，按照標準要求，焊前需進行預熱，預熱溫度控制在80～120℃。由同一焊工按照相同焊接參數進行焊接，主要焊接參數見表4。

表4 主要焊接參數

焊接完成后對焊縫表面進行清理并進行外觀檢測。在完成外觀檢測后，將試板加工成試塊，以便觀察焊縫內部質量。

在焊縫試塊加工完成后，對焊縫截面先后進行PT、UT檢測，再使用放大鏡和顯微鏡進行金相分析。

2.3 仿真計算

焊接時外界的拘束會限制焊接變形，從而在焊接件內部產生應力。現利用ANSYS軟件進行熱-結構耦合分析，仿真計算兩種狀態的應力情況。仿真的單元類型為solid185。網格劃分為六面體單元，節點數15707、單元數2651。鋁合金熱膨脹系數為2.3×10-5/℃，設置焊縫溫度為1200℃，出口溫度為22℃。仿真計算結果如圖4所示，在約束狀態下，焊縫處最大應力為1155MPa，而在自由狀態下，焊縫處最大應力僅為247MPa，約束狀態下焊縫處受力是自由狀態下受力的4.68倍。

圖4 等效應力云圖

3 試驗結果及討論

3.1 檢測依據和標準

本試驗檢測按照EN 10042：2018《鋁及鋁合金的弧焊接頭-缺陷質量等級》進行VT檢測；按照ISO 23277：2015《焊縫無損檢測-滲透檢測-驗收標準》進行PT檢測；按照ISO 11666：2018 《無損檢測-超聲波檢測-驗收等級》進行UT檢測。

3.2 約束狀態試驗結果

未切割前對約束狀態下的焊接試板焊縫進行VT檢測、表面PT檢測，結果均合格，未產生氣孔、表面裂紋、咬邊及燒穿等缺陷。

將試板加工成3個試塊，對試塊焊縫進行UT檢測，3個試塊均發現存在焊接缺陷。

對試塊截面打磨、拋光、腐蝕后，用5倍放大鏡進行觀察，發現焊縫成形良好，無層間未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。但發現3個試塊的熱影響區均存在裂紋，如圖5a中藍色標記處。

對焊接接頭截面進行PT檢測，結果表明，在藍色標記位置確實存在裂紋。如圖5b所示，可從缺陷處滲透液在顯像劑上的紅色痕跡看出裂紋的形貌及分布狀態。

圖5 焊接缺陷

焊接接頭的微觀金相組織如圖6所示。從圖6中可看出，焊縫組織與母材有明顯的區別，母材為拉伸后的纖維組織，焊縫為典型的鑄造組織。焊縫中部為較細的等軸晶，靠近熔合線為粗大的柱狀晶組織，熱影響區出現了較多黑色點狀Mg2Si強化相。

圖6 焊接接頭微觀金相組織

從以上金相組織可清楚地顯示出裂紋位于熔合線及其附近的熱影響區，判斷裂紋為熱影響區的熱裂紋以及近縫區的液化裂紋。

3.3 自由狀態試驗結果

自由狀態下的焊縫經VT檢測、表面PT檢測均合格，沒有發現表面裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。

首先用UT對試件進行檢測，未發現缺陷。

對試塊截面打磨、拋光、腐蝕后，用5倍放大鏡進行VT檢測，發現焊縫成形良好，不存在層間未熔合、夾渣、氣孔及裂紋等缺陷，再用PT進行檢測，同樣未發現缺陷，如圖7所示。由于PT和VT均未發現熱影響區裂紋，故沒有作進一步的焊縫微觀金相組織分析。

圖7 宏觀金相及PT檢測

4 結束語

焊接結構對6082-T651鋁合金焊接裂紋影響明顯，當試件處于約束狀態時更容易產生熱裂紋，且裂紋主要集中在熔合線及其臨近的熱影響區。仿真分析表明，約束狀態下焊縫處最大應力是自由狀態下的4.68倍，表明焊接應力是產生焊接裂紋的主要原因，高的焊接應力更容易產生焊接裂紋。