焊接方式對鋁型材性能及組織的影響

黃宗福 韋彥丁 鄭長鑫 廖斌

（南南鋁業股份有限公司，廣西南寧 530031）

Al-Mg-Si 合金具有中等強度、韌性良好的加工性能、焊接性能及耐蝕性能，同時兼具質輕、外表美觀等特點，廣泛應用于汽車、軌道交通等領域[1-3]。在汽車輕量化應用中，Al-Mg-Si 合金廣泛使于汽車車身、防撞梁、電池托盤等零部件中。這些零部件大多由多個部件組裝而成，常用的經濟、便捷連接方式為焊接。鎢極惰性氣體焊(TIG)是將鎢電極作為負極，直流電作為焊接熱源，在保護氣體下產生電弧從而形成熔池；TIG 焊接常采用手工操作，其成本低廉[4]。金屬極惰性氣體焊(MIG)則具有設備簡單、自動化程度高、生產率高等優點[5]。所以，TIG及MIG焊接被廣泛應用于Al-Mg-Si合金焊接[6]。

然而，這兩種焊接方法因其工藝條件存在差異，焊接后成品質量也有所區別。兩者均屬于熔化焊接，焊接過程中產生的高溫引起合金成分改變、析出相變化等因素是導致力學性能衰減的主要原因[7]。所以對不同焊接方式進行研究，合適的焊接方式選擇是確保產品合格及降低成本的重要因素。

本文針對某款產品型材支架焊接后存在滑牙風險產品為研究內容，以生產用鋁型材為試驗材料，通過MIG 及TIG 兩種不同焊接方式模擬實際生產進行環焊試驗。借助于硬度及微觀組織表征手段，研究焊接方式對焊接后型材性能的影響，為生產實踐提供數據支撐及實踐指導。

1 實驗材料與方法

本試驗采用6061-T6 擠壓型材，其合金成分見表1，試驗型材截面如圖1 所示，焊接采用環焊的方式進行焊接，MIG 及TIG 焊接工藝參數見表2，焊接處如圖1b 中黑色區域所示，焊絲為直徑1.2mm 4043焊絲。為便于后續記錄，特對用樣品進行編號并記錄，詳情如表3所示。

圖1 試驗型材信息：(a)試驗型材截面；(b)焊接示意圖

表1 試驗用合金化學成分(質量分數/%)

表2 MIG、TIG焊接工藝參數

表3 樣品分類及其編號

硬度測試在TMVM-1 維氏硬度計上進行，焊接后樣品以環焊面為硬度檢測面（圖2a 所示），硬度測試示意圖見圖2。在檢測面上，在距離螺紋孔最底端1mm 的線上以1mm 點間距依次進行硬度測試（如圖2b所示）。

圖2 樣品的硬度檢測示意圖

環焊面經不同型號砂紙多次砂紙打磨后置于拋光機上進行拋光，拋光后樣品經凱樂試劑腐蝕后置于Carl Zeiss Axio Vert.Al設備上進行觀察并拍照。

2 實驗結果

2.1 焊縫形貌

不同焊接方式焊接后焊縫形貌如圖3所示，可以看出TIG 焊接后焊縫成形平整，沒有裂紋、咬邊等缺陷，焊接成型性好，呈現魚鱗紋。而MIG 焊縫形貌較TIG略差，但兩種焊接均滿足客戶要求。

圖3 不同狀焊接方式焊接后焊縫形貌：（a）MIG；（b）TIG

2.2 硬度

材料硬度與螺紋滑牙密切相關[8，9]，因此采用硬度對焊接后樣品進行表征，不同樣品結果硬度變化見圖4。由圖4a 可以看出基材絕大部分硬度值介于100～120HV 范圍。根據國標GB/T 6892-2015 中對6061-T6 硬度要求為95HBW，換算為維氏硬度為100HV，所以基材性能滿足國標要求。

圖4 不同狀態樣品硬度值：（a）基材;（b）MIG-合格;（c）TIG-抽檢;（c）TIG-不合格

根據焊接技術要求，焊接后型材性能需＞60%基材性能，通過硬度換算出焊接后硬度值應＞60HV。由圖4b 可知，MIG 焊接后樣品其硬度值基本符合技術要求，而TIG焊接后不合格樣品存在部分滿足國家標準現象。這表明以60%國標硬度（60HV）不能作為判定樣品是否滑牙的依據。

因此，為正確選擇樣品判定標準，特選取基材均值硬度60%作為判定型材硬度是否合格標準，即硬度值為65HV。通過計算相對基材硬度比例如圖5所示，可以看出MIG 焊接后均滿足要求，TIG-不合格樣品焊接后其硬度值基本低于65HV，而TIG-抽檢樣品中T2不滿足要求，存在滑牙風險。

圖5 相對基材硬度值比例

2.3 微觀組織

圖6 和圖7 分別給出不同狀態樣品心部及表層微觀組織情況，可以看出焊接后型材晶粒發生明顯長大，且表層晶粒尺寸較心部晶粒大。基材表層晶粒較心部晶粒大是由于擠壓過程中型材表層受擠壓筒及模具摩擦力的影響，使得表層變形程度較大，擠出后型材截面呈現表層晶粒細小，心部晶粒粗大分布。焊接時能量輸入使得金屬熔化形成熔池，隨后熔池凝固釋放大量熱量，使得焊接附近溫度增加，表層細晶區晶粒尺寸明顯長大。表層晶粒變形量大，儲能較高，相較于心部晶粒更易發生再結晶和晶粒長大。所以表層晶粒長大趨勢較心部晶粒更明顯。

圖6 不同狀態樣品表層微觀組織：(a)基材；(b)MIG-合格；(c)TIG-抽檢；(d)TIG-不合格

圖7 不同狀態樣品心部微觀組織：(a)基材；(b)MIG-合格；(c)TIG-抽檢；(d)TIG-不合格

3 結論

通過對6061-T6 不同焊接方式及原始樣品進行硬度及微觀組織分析，得到如下結論：

（1）型材焊接后硬度值大于65HV 時可確保型材滿足焊接后不滑牙要求；

（2）MIG 焊接比TIG 焊接熱輸入更少，焊接后不出現滑牙現象；

（3）焊接后型材晶粒發生長大，表層晶粒長大趨勢大于心部晶粒。