焊接參數(shù)對(duì)6082 T6鋁合金型材焊接后性能的影響

摘 要：為研究常見(jiàn)鋁合金型材熔化焊接后實(shí)際力學(xué)性能情況，本文以2mm 6082T6鋁合金擠壓板材為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以對(duì)接焊接的方式進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)開(kāi)展了焊接方式、焊絲成分及CMT單雙脈沖模式對(duì)焊后型材力學(xué)性能的影響試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用TIG、MIG、CMT等生產(chǎn)過(guò)程普遍應(yīng)用的焊接方式及6xxx鋁合金常用焊絲（4043和5356）作為工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)，借助數(shù)控銑床進(jìn)行拉伸試樣制作，隨后在萬(wàn)能拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接后材料力學(xué)性能進(jìn)行表征。結(jié)果表明：保持焊接電流和焊絲合金成分等不變的情況下，不同焊接方式下拉伸后樣品均在焊縫位置斷裂，TIG、MIG焊接屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高于CMT焊接后強(qiáng)度，但TIG和MIG更容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。保持CMT焊接方式和焊接參數(shù)一致的情況下，5356合金焊絲焊接后合金強(qiáng)度略高于4043合金焊絲焊接后樣品，但焊接后5356焊絲延伸率明顯低于4043焊接后樣品。最后，保證其他參數(shù)不變的情況下，CMT單脈沖和雙脈沖模式對(duì)焊接后合金性能影響不明顯。

關(guān)鍵詞：6082鋁合金；CMT；MIG；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG407

AlMgSi合金具有密度低、比強(qiáng)度高、成型性優(yōu)良、耐蝕性好、焊接性能優(yōu)良、易于拋光以及表面著色性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軌道交通、汽車、船舶、電纜、建筑及裝飾領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著新能源汽車領(lǐng)域的快速發(fā)展，鋁合金應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展。新能源汽車用鋁合金型材主要為電池托盤、左右門檻梁、前后防撞梁、天窗導(dǎo)軌及行李架等部件，其中電池托盤重量占比最大。目前，新能源汽車用電池托盤主要以型材+焊接拼框方式為主。

AlMgSi合金屬于可熱處理性鋁合金，對(duì)于可熱處理鋁合金而言，焊接過(guò)程中熱影響區(qū)中原有納米析出等第二相會(huì)失效，使得該區(qū)域及其附近材料發(fā)生軟化，嚴(yán)重影響焊接接頭處力學(xué)性能，為降低焊接后熱影響區(qū)域的軟化效果，焊接技術(shù)也在相應(yīng)發(fā)展。其中冷金屬過(guò)渡焊創(chuàng)造性將焊絲運(yùn)動(dòng)和熔滴過(guò)渡相結(jié)合，通過(guò)精確控制能量輸入，實(shí)現(xiàn)無(wú)電流狀態(tài)下的熔滴過(guò)渡，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于鋁合金焊接領(lǐng)域。

截至目前，汽車用鋁合金根據(jù)其焊接特點(diǎn)進(jìn)行焊接方式選擇，使用最廣泛的焊接主要為熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）和冷金屬過(guò)渡焊（CMT）。CMT焊接與傳統(tǒng)的MIG/MAG釬焊相比，熱輸入量更小，可有效減少變形，尤其適用于薄板焊接。此外，焊接后熱影響區(qū)的軟件效果還與焊絲選擇有關(guān)，焊絲選擇應(yīng)優(yōu)先選擇與母材成分相同或相近的牌號(hào)，這樣可以確保焊縫與母材之間的力學(xué)性能和耐蝕性相匹配，從而獲得更好的焊接質(zhì)量。而AlMgSi可選擇4xxx和5xxx焊絲進(jìn)行焊接，不同焊絲焊接后其性能也需進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。所以探究焊接方式及焊絲成分的選擇對(duì)焊接后合金性能有著至關(guān)重要的作用。

本文以南南鋁業(yè)股份有限公司自產(chǎn)2mm壁厚6082T6鋁合金擠壓板材為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了不同焊接方式及焊絲成分對(duì)薄板焊接后合金性能的影響，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用焊接方式和焊絲的選擇提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為本公司生產(chǎn)的6082T6鋁合金擠壓板材，板材經(jīng)熔煉、鑄造、均勻化熱處理后在1400T機(jī)上擠壓成型，擠壓產(chǎn)品外形尺寸為2mm×140mm，擠壓比為55。擠壓完成后經(jīng)切頭尾后入爐進(jìn)行170℃/10h處理，處理后產(chǎn)品鋸切為150mm進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)焊接時(shí)采用氬氣作為保護(hù)氣體以防止金屬熔滴、熔池金屬與空氣中的氧氣或其他雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生夾雜影響焊縫質(zhì)量。焊絲分別選擇AlMgSi鋁合金焊接常用的4043和5356焊絲，焊絲直徑均選擇為1.2mm，實(shí)驗(yàn)用鋁合金擠壓材料及焊絲成分分別見(jiàn)表1所示。實(shí)驗(yàn)采用不開(kāi)坡口對(duì)接方式進(jìn)行焊接，焊接前采用鋼刷將鋁合金板材表面進(jìn)行打磨氧化表層，減少焊接缺陷產(chǎn)生概率。實(shí)驗(yàn)采用Fronius CMT 5000焊機(jī)及TIG焊機(jī)，送絲速度和焊接速度分別為4.3m/min和0.4m/min，其余試驗(yàn)焊接參數(shù)及焊絲選擇詳情見(jiàn)表2。

焊接實(shí)驗(yàn)完成后樣品在CNC上根據(jù)GB/T 2651—2008焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行制樣拉伸樣取樣，拉伸樣形狀尺寸如圖1所示，制樣完成后在MTS 45.305微機(jī)控制電子式萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄處理。

圖1 拉伸樣尺寸示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果

2.1 焊接方式對(duì)焊后性能的影響

不同焊接方式下鋁合金拉伸后斷裂試樣及斷口情況如圖2、圖3所示，可以看出均在焊縫位置斷裂，其力學(xué)性能見(jiàn)表3。相同焊接參數(shù)條件下，采用TIG與MIG焊接后其力學(xué)性能相差不大，抗拉強(qiáng)度均為180MPa左右，而CMT焊接后其抗拉強(qiáng)度最低，為166MPa。CMT延伸率與MIG焊接相當(dāng)，延伸率在4左右，但TIG焊接延伸率僅為1.8。從拉伸后斷裂位置斷口截面（見(jiàn)圖3）可以看出TIG焊接后焊縫位置存在明顯的孔洞，而MIG焊接后存在微小氣孔，CMT焊接后基本無(wú)明顯孔洞。

TIG焊接熱輸入量大，母材熔深更大，焊接完成后在熔池降溫過(guò)程中，由于鋁合金為良好導(dǎo)熱體，在焊接熔化過(guò)程中仍存在部分熔體卷氣，雖然產(chǎn)生的氣泡數(shù)量不多，但仍存在過(guò)熱熔池冷卻時(shí)來(lái)不及逸出氣體，從而形成皮下氣孔。這些氣孔在拉伸過(guò)程中優(yōu)先成為裂紋源，使得產(chǎn)品延伸率下降明顯。而MIG和CMT焊接熱輸入量較小，焊縫熔深較TIG更小，不易產(chǎn)生氣孔缺陷。所以TIG焊接后其強(qiáng)度較高，但由于氣孔存在造成其延伸率明顯低于CMT和MIG。CMT焊接后性能較差主要源于熱輸入量小，Mg燒損較MIG和TIG焊接更少，但由于焊接時(shí)焊縫熱量較少，相同環(huán)境下試樣冷卻速率較快，熔池Mg2Si析出較少，使得焊縫強(qiáng)度有所下降，但其延伸率相對(duì)有所提升。

2.2 焊絲成分對(duì)焊后性能的影響

6xxx鋁合金焊接常使用4043和5356焊絲，為探究不同焊絲合金牌號(hào)對(duì)焊接后性能的影響，采用相同CMT焊接參數(shù)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，焊接后產(chǎn)品力學(xué)性能見(jiàn)表4。經(jīng)5356焊絲焊接后力學(xué)性能中抗拉強(qiáng)度突破200MPa，超過(guò)4043合金焊絲10MPa，但5356焊接后延伸率較4043焊絲下降明顯。由圖4中焊接后斷口可以看出不同焊絲斷口位置均未出現(xiàn)明顯焊接缺陷，5356焊接后斷口較為平整，屬于混合斷裂，而4043斷口呈45°斷裂，斷口塑性變化明顯，為典型韌性斷裂。

4043焊絲在焊接過(guò)程中，外界熱出入基體發(fā)生熔化，使得基體中Mg元素受熱燒損，造成焊縫熔池中Mg含量下降，在后續(xù)凝固冷卻過(guò)程中強(qiáng)化析出相密度及數(shù)量下降。而5356焊絲具有較高M(jìn)g含量，在熔化過(guò)后雖有燒損，但焊縫處Mg含量仍遠(yuǎn)超基體中應(yīng)有Mg含量。從而造成Mg含量過(guò)剩，Mg2Si在冷卻過(guò)程中析出相密度增加，所以其強(qiáng)度有所增加；但Mg含量過(guò)多，Mg2Si尺寸增加，其延伸率明顯下降。

2.3 CMT單雙脈沖對(duì)焊后性能的影響

為探究CMT不同模式下焊接對(duì)產(chǎn)品性能的影響，特針對(duì)單雙脈沖進(jìn)行驗(yàn)證，CMT單雙脈沖焊接后力學(xué)性能如表5所示，可以看出雙脈沖焊接后樣品強(qiáng)度略高于單脈沖，而延伸率上單脈沖略高于雙脈沖樣品，但兩者相差不明顯。因此，從大批量生產(chǎn)制造管控來(lái)說(shuō)，單雙脈沖對(duì)合金綜合力學(xué)性能的影響較小。

3 結(jié)論

本文以公司自產(chǎn)2mm壁厚6082T6鋁合金板材為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)研究不同焊接方式（TIG、MIG、CMT）、焊絲成分（4043和5356）及單雙脈沖對(duì)焊接后合金性能的影響，得到如下結(jié)論。

（1）在焊接電流和焊絲成分等相同焊接參數(shù)相同情況下焊接，不同焊接仿石材其抗拉強(qiáng)度由高到低順序?yàn)門IG、MIG和CMT，而延伸率由高到低則為CMT、MIGH和TIG。

（2）在相同CMT焊接參數(shù)的條件下，5356焊絲焊接后合金強(qiáng)度略高于4043焊接后樣品，但5356焊接后延伸率明顯低于4043焊接后樣品。

（3）CMT焊接時(shí)選擇單雙脈沖進(jìn)行焊接，產(chǎn)品焊接后力學(xué)性能相差不大，在量產(chǎn)過(guò)程中可不作為重要參數(shù)進(jìn)行關(guān)注。

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基金項(xiàng)目：南寧市“邕江計(jì)劃”青年人才專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：RC20240204）；南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：20241024）

作者簡(jiǎn)介：唐丹（1987— ），女，壯族，廣西南寧人，本科，中級(jí)工程師，研究方向：材料工程。

*通信作者：徐光帥（1985— ），男，漢族，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：鋁合金材料及輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。