5083與6082鋁合金焊接對比試驗研究

張洪逵，林皓，杜濤，劉凱，王路，王軍，魏澤鵬，彭如星

中車南京浦鎮車輛有限公司 江蘇南京 210031

1 序言

鋁合金材料在軌道交通行業應用十分廣泛，高速動車組、城軌車輛車體均使用了具有輕量化特征的鋁合金材料[1]。目前鋁合金材料已廣泛應用于國內外高速列車中，主要采用5系（Al-Mg）、6系（Al-Mg-Si）、7系（Al-Zn-Mg）鋁合金[2]。根據城軌車輛不同部件對材料性能要求的不同，所選用的鋁合金牌號也不同。一般從耐蝕性和焊接性方面考慮，對于不涂裝的鋁合金車體外板、骨架、車頂板及地板等零件可采用耐蝕性和加工性能好的5系鋁合金。大型擠壓型材結構的車體，國內外多采用擠壓性好又兼有適當焊接性和較高強度的6系鋁合金。對于5系鋁合金，在城軌車輛鋁合金車體上一般采用5083鋁合金。5083鋁合金屬非熱處理強化鋁合金，一般采用固溶處理以及加工硬化的方式進行強化，具有良好的耐蝕性和焊接性，同時具有中等強度的力學性能；對于6系鋁合金，在城軌車輛鋁合金車體上主要采用的是6005A-T6鋁合金、6082鋁合金。6005A-T6鋁合金是經過固溶處理、人工時效的擠壓型材，具有強度高的特點，主要應用于城軌車輛鋁合金車體大部件上，例如地板、底架邊梁、側墻邊梁等。6082鋁合金的主要合金元素為Mg和Si，具有良好的加工性、焊接性、耐蝕性等特點，廣泛應用于城軌車輛鋁合金車體中各類板材零部件中[3-5]。

本文以5083與6082鋁合金為出發點，從焊接性、微觀組織、焊后力學性能3個方面分析兩種鋁合金在軌道交通鋁合金車體上應用的特性。

2 試驗內容

2.1 試驗材料

試驗分別選用規格為300mm×150mm×10mm的5083與6082鋁合金試板，其化學成分見表1。由表1可知，5083鋁合金Mg、Mn含量要高于6082鋁合金，6082鋁合金Si含量要高于5083鋁合金，其余合金元素含量相當。

表1 5083和6082鋁合金化學成分（質量分數） （%）

選用焊絲為某進口品牌E R5356[A l M g5C r（A）]鋁合金焊絲，規格為φ1.2mm，其化學成分見表2。保護氣體選用99.999%高純氬氣。

表2 ER5356焊絲化學成分（質量分數） （%）

2.2 試驗方法

試驗采用MIG焊接方法，分別進行5083與6082鋁合金的平板堆焊試驗，探究其焊縫表面成形和焊接性的相同性與差異性，焊接參數見表3。

表3 堆焊焊接參數

分別進行5083與6082鋁合金10mm平板對接焊接試驗。對焊后的兩種鋁合金試板分別進行表面成形、截面宏觀形貌及微觀組織觀察及分析，探究其焊后焊縫成形、微觀組織的差異性和相關性。分別對焊后鋁合金試板進行力學性能檢測，探究其焊后在力學性能上的相關性和差異性。平板對接焊接試驗的焊接參數見表4。分別對焊后的鋁合金試板進行滲透檢測，探究不同鋁合金材料焊縫的氣孔缺欠分布情況。

表4 平板對接焊接參數

3 試驗結果分析

3.1 5083與6082鋁合金的焊接性分析

對5083與6082鋁合金堆焊后焊縫表面黑灰情況進行對比，如圖1所示。從圖1可看出，5083與6082鋁合金焊縫金屬上黑灰均分布較少，呈現出較亮的金屬光澤。黑灰主要集中在未能得到保護氣體保護的母材上。選用99.999%Ar保護氣在焊接時電弧穩定，能夠保證最小飛濺，保護效果較好。將焊后黑灰進行打磨清除，5083與6082鋁合金表面堆焊表面成形情況如圖2所示。由圖2可看出，5083與6082鋁合金堆焊表面成形均較差，焊接熔池凝固時產生的魚鱗紋路不明顯、不規則。分析原因為鋁的熱導率非常高，導致熔池凝固非常快，同時，鋁材在熔化時無顏色變化，焊接操作者對溫度的控制較為困難，不易形成美觀的焊縫外觀。

圖1 5083與6082鋁合金表面堆焊黑灰情況

圖2 5083與6082鋁合金表面堆焊表面成形情況

3.2 5083與6082鋁合金對接焊縫的表面形貌及微觀組織分析

對5083與6082鋁合金對接試板進行表面成形觀察，如圖3所示。由圖3可知，5083鋁合金對接接頭焊縫平直，表面魚鱗紋路均勻，光澤度較好，焊趾處與母材過渡平順，減小了應力集中。6082鋁合金對接接頭焊縫較為平直，表面魚鱗紋路不均勻，焊趾與母材過渡區域不夠平滑，此處應力較為集中，存在產生裂紋的風險，焊后需修磨焊趾處，使其平滑過渡。對兩種材料的對接焊縫接頭截面宏觀形貌進行觀察，如圖4所示。由圖4可知，兩種材料的焊接接頭均已熔透，5083鋁合金對接接頭熔化的更為均勻對稱，6082鋁合金對接接頭在焊接時有少許偏弧現象。總體來說，兩種材料的對接接頭表面成形、截面宏觀形貌均較好，達到實際使用要求。

圖4 5083與6082鋁合金截面宏觀形貌

對焊后的兩種鋁合金試板分別進行放大100倍的微觀組織觀察。兩種鋁合金的熱影響區微觀組織如圖5所示。由圖5可知，5083鋁合金熱影響區組織比6082鋁合金熱影響區組織晶粒粗大，同時5083鋁合金熱影響區內晶界較長且寬大，形成析出相脆化，導致此區域強度和塑韌性降低。6082鋁合金熱影響區內組織較為均勻，晶粒較細，對強度、塑韌性的影響較小。

圖5 5083與6082鋁合金熱影響區顯微組織

5083與6082鋁合金對接焊縫顯微組織如圖6所示。從圖6可看出，5083鋁合金焊縫晶粒尺寸比6082鋁合金焊縫晶粒尺寸更加細小，組織成分更加均勻。分析原因為5083鋁合金中含有更多的Mg元素，與Mn、Ti、Cr等元素形成更多的金屬間化合物，形核質點較多，從而生成的晶粒越多，同體積下晶粒就越細小，同時有利于提高焊縫的強度。6082鋁合金中的Si元素較5083鋁合金多，焊接熔池內形成的低熔點Mg2Si隨之增多，熔池內形核質點減少，α-Al基體不斷增長，形成較為粗大的晶粒組織，導致焊縫強度降低。

圖6 5083與6082鋁合金對接焊縫顯微組織

3.3 5083與6082鋁合金對接焊縫的滲透檢測分析

對5083與6082鋁合金對接焊縫進行滲透檢測，結果如圖7所示。由圖7可知，5083與6082鋁合金對接焊縫在焊縫表面均出現了1～2個氣孔，在收弧處的弧坑里存在較多密集氣孔，同時產生了弧坑裂紋。鋁合金具有氧化性強，固、液兩相氫溶解度相差大等特點，因此鋁合金熔化焊生產中形成氣孔缺陷的概率很高，鋁合金熔化焊中產生的氣孔絕大多數為氫氣孔[6，7]。另外，焊接材料有油污、熔池保護不良、焊前打磨清理不徹底等因素均會導致氫氣孔產生。對于弧坑處產生的裂紋，為凝固裂紋。可調節焊機的收弧電流，減小弧坑內凝固裂紋的產生。當出現弧坑裂紋時，需及時修磨弧坑處，必要時進行補焊。

圖7 5083與6082鋁合金對接焊縫滲透檢測結果

3.4 5083與6082鋁合金的力學性能分析

分別對焊后的5083與6082鋁合金焊接試板進行力學性能檢測。對其分別進行2個表面彎曲試驗和2個根部彎曲試驗，彎曲試驗結果如圖8所示。試驗得出，5083與6082鋁合金焊接接頭均未出現裂紋及斷裂，結果均為合格。其中，5083鋁合金焊后進行彎曲試驗，在180°彎曲后，發現根部彎曲試樣和表面彎曲試樣均在熱影響區出現了縮頸現象，如圖8a所示。而6082鋁合金焊后進行彎曲試驗，在180°彎曲后，根部彎曲試樣和表面彎曲試樣均未出現彎曲部位縮頸的現象。分析原因為5083鋁合金熱影響區組織晶粒粗大，此區域脆化相較多，導致其強度、硬度較低，從而產生了縮頸現象。

圖8 5083與6082鋁合金彎曲試樣

焊后5083與6082鋁合金焊接試板拉伸試驗結果見表5，拉伸試樣如圖9所示。由表5可知，5083鋁合金兩組焊后拉伸試樣均斷在熱影響區。6082鋁合金兩組焊后拉伸試樣均斷在母材上。分析得知，5083鋁合金熱影響區組織晶粒粗大，此區域脆化相、低熔點共晶體較多，導致其強度低，從而發生了斷裂。

圖9 5083與6082鋁合金拉伸試樣

表5 5083與6082鋁合金拉伸試驗結果

4 結束語

1）5083與6082鋁合金焊縫金屬上黑灰均分布較少，呈現出較亮的金屬光澤。5083與6082鋁合金焊縫表面成形均較差，焊接熔池凝固時產生的魚鱗紋路不明顯、不規則。5083與6082鋁合金對接焊縫表面均產生了1～2個單個氣孔，同時弧坑處產生了密集氣孔和凝固裂紋。

2）5083鋁合金焊縫區域晶粒較細小，強度較高，熱影響區組織晶粒較粗大，此區域強度較低；6082鋁合金焊縫區域晶粒較細小，強度相對較高，組織較為均勻，晶粒較細，對強度、塑韌性的影響較小。

3）5083鋁合金彎曲試驗后熱影響區有縮頸現象，拉伸試驗斷在了熱影響區；6082鋁合金彎曲、拉伸試驗均合格。在實際生產中，小尺寸、較薄的零件可選用5083鋁合金，在焊接過程中降低熱輸入，減少組織軟化。較大、較厚零部件可選用以6082鋁合金為代表的6系鋁合金，焊接接頭的各項性能均較優良。