孫家?guī)?，張焱，零的?yīng)，姚宗湘，尹立孟，王剛，陳玉華

摘要：對(duì)厚度5 mm的5083鋁合金進(jìn)行等離子-MIG復(fù)合焊接，研究不同送絲速度對(duì)焊縫成形與焊接接頭性能的影響，分析接頭的微觀組織，并測(cè)試接頭的力學(xué)性能。結(jié)果表明：送絲速度為7 m/min、9 m/min時(shí)均可獲得無明顯缺陷的焊接接頭，送絲速度增大，余高略有增加;送絲速度為9 m/min的焊接接頭焊縫區(qū)的樹枝狀晶更加細(xì)小，接頭硬度分布呈“ W ”形，焊縫區(qū)和熔合區(qū)的平均硬度均低于母材，距焊縫中心3～4 mm處的熔合區(qū)硬度最低，送絲速度為7 m/min時(shí)，其接頭軟化現(xiàn)象更為顯著。兩種送絲速度下的接頭拉伸斷裂均出現(xiàn)在熔合區(qū)附近，送絲速度為9 m/min的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于7 m/min的，斷裂形式均為韌性斷裂。

關(guān)鍵詞：5083鋁合金;等離子-MIG焊; 顯微組織;力學(xué)性能;軟化

中圖分類號(hào)：TG457.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）10-0143-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.10.24

0? ? 前言

鋁合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易成型和耐腐蝕等性能[1-2]，在軌道交通、汽車、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。5系鋁合金為Al-Mg系合金，具有良好的耐蝕性、加工性和焊接性，其最常用的焊接方法是MIG焊，激光焊和攪拌摩擦焊等先進(jìn)焊接方法也有應(yīng)用[3]。傳統(tǒng)熔化焊焊接鋁合金時(shí)，熱輸入較大，存在焊接變形大、接頭軟化嚴(yán)重、易產(chǎn)生氣孔等問題，影響接頭的使用性能。

等離子-MIG復(fù)合焊是將等離子弧與MIG電弧有機(jī)復(fù)合形成的一種高效優(yōu)質(zhì)、低成本的焊接技術(shù)，具有熔深大、熔覆效率高等特點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)等離子復(fù)合焊接開展了研究[4-12]。Ono[5]等研究了A5052鋁合金等離子-MIG復(fù)合焊，發(fā)現(xiàn)等離子電流大小可以改變鋁合金焊縫表面形貌。劉正[6]等研究了厚16 mm的6005鋁合金的等離子-MIG復(fù)合焊工藝，發(fā)現(xiàn)開雙面V型80°坡口、中間留4 mm鈍邊，能單側(cè)一次性焊透。楊濤[7]對(duì)2219鋁合金采用等離子-MIG復(fù)合焊，發(fā)現(xiàn)焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)顯著提高，焊接熱裂紋傾向減弱。邵盈愷[8]研究了7075鋁合金等離子-MIG復(fù)合焊工藝，建立了焊接參數(shù)與焊縫熔深之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入的增加，焊接熱裂紋敏感性呈先降低后升高的變化規(guī)律，裂紋類型由母材部分熔化區(qū)的液化裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)楹缚p金屬區(qū)的結(jié)晶裂紋?；艉｝圼9]等采用旁軸式等離子-MIG焊接方法研究了20 mm厚的5083鋁合金焊縫組織，發(fā)現(xiàn)焊縫頂部晶粒尺寸與底部存在明顯差異，頂部晶粒尺寸小于底部。魏波[10]等研究了6061鋁合金等離子-MIG焊接頭的微觀組織，發(fā)現(xiàn)了與文獻(xiàn)[9]類似的現(xiàn)象。石磊[11]等對(duì)厚10 mm的5A06鋁合金進(jìn)行了等離子-MIG焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)的微觀組織與MIG焊相差不大。目前，針對(duì)等離子-MIG焊接鋁合金方面雖然取得了一些成果，但鋁合金中薄板等離子-MIG焊接工藝的研究還相當(dāng)欠缺。

文中采用同軸式等離子和MIG電弧進(jìn)行復(fù)合，對(duì)厚5 mm的5083鋁合金進(jìn)行焊接，對(duì)比研究不同送絲速度對(duì)焊接接頭組織和性能的影響，探討焊接接頭的斷裂機(jī)制，為5083鋁合金的焊接工藝提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?083鋁合金板，板材尺寸300 mm×

100 mm×5 mm，采用不開坡口的對(duì)接接頭，接頭間隙1 mm。焊接材料為直徑1.2 mm的ER5356焊絲。5083鋁合金及ER5356焊絲的化學(xué)成分如表1所示。采用單面焊雙面成型，工件接負(fù)極，保護(hù)氣體為純度99.999%的氬氣，主要焊接工藝參數(shù)如表2所示。

焊接前，采用砂紙清除鋁合金試樣對(duì)接面30 mm范圍內(nèi)的表面氧化膜，然后用酒精將工件待焊處清洗干凈。焊接后的試樣采用線切割沿橫截面處切取金相、硬度和拉伸試樣，并進(jìn)行微觀組織和力學(xué)性能分析。金相試樣采用Keller試劑（1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O）進(jìn)行腐蝕，然后利用萊卡DM-2500M金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析;參照GB/T 2654-2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》，采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)定其接頭顯微硬度，加載載荷500 g，加載時(shí)間10 s，維氏硬度測(cè)試點(diǎn)位置為焊縫正面距離母材表面約2 mm處，由焊縫中心向兩側(cè)每隔1 mm取點(diǎn)測(cè)試;在垂直焊縫方向取拉伸標(biāo)準(zhǔn)樣，通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率1 mm/min，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)斷口形貌進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

送絲速度分別為7 m/min和9 m/min的焊縫表面

形貌如圖1所示，焊縫表面為連續(xù)均勻的魚鱗狀，成

形良好，無明顯缺陷。送絲速度為9 m/min時(shí)，余高為2.20 mm，較送絲速度為7 m/min時(shí)的2.05 mm略有增加，而兩者的熔寬相差不大。焊縫橫截面處氣孔分布宏觀形貌如圖2所示，有少量氣孔（圖中白點(diǎn)）分布于焊縫靠近頂部位置。文獻(xiàn)[13]研究表明，氣孔的大小和分布情況與送絲速度關(guān)系不大，鋁合金焊接產(chǎn)生氣孔是不可避免的，主要原因是鋁在凝固過程中氫的溶解度急劇減弱而氫氣來不及溢出所致。

2.2 顯微組織

兩種不同送絲速度下5083鋁合金焊接接頭的金相顯微組織如圖3所示。兩種參數(shù)下的焊接接頭均表現(xiàn)為焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織特征，各區(qū)域顯微組織形貌較為相似。圖3a為母材微觀組織，呈現(xiàn)出細(xì)長的纖維狀軋制組織，結(jié)合Al-Mg合金相圖分析，該合金的基體組織是Al-Mg固溶組織，還存在第二相粒子β（Al3Mg2）和少量雜質(zhì)相，組織較為致密，易于焊接。焊縫區(qū)為典型的鑄造組織，焊縫中心呈樹枝狀晶，如圖3b、3d所示，這是由于在焊接過程中，焊縫區(qū)金屬吸收了大量的熱量熔化，冷卻時(shí)由于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大，散熱快，焊縫中心處過冷度大，從而形成細(xì)小的等軸樹枝狀晶組織[14]。熔合區(qū)主要呈柱狀晶組織，如圖3c、3e所示。熱影響區(qū)是具有方向性的、外延生長的柱狀晶，與母材區(qū)相比，晶粒明顯粗大。與送絲速度7 m/min時(shí)相比，送絲速度9 m/min時(shí)熔合區(qū)寬度略窄，焊縫區(qū)等軸樹枝狀晶也更均勻細(xì)小。這是因?yàn)楫?dāng)焊接速度和等離子電流一定時(shí)，送絲速度增大，熔化焊絲需要的熱量越多，導(dǎo)致輸入熔池內(nèi)的熱量減少。

2.3 接頭顯微硬度

不同焊接接頭的硬度分布如圖4所示。由圖4可知，接頭的硬度分布呈“ W ”形，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的平均維氏硬度均低于母材，在距離焊縫中心約3 mm處，接頭硬度出現(xiàn)最低值56.5 HV（送絲速度為7 m/min），約為母材的76%，存在顯著的軟化現(xiàn)象。出軟化區(qū)遠(yuǎn)離焊縫中心位置后，接頭硬度逐漸恢復(fù)。送絲速度為9 m/min時(shí)，接頭各區(qū)域的平均硬度值與7 m/min時(shí)相近。鋁合金在焊接過程中受到焊接熱循環(huán)的影響，會(huì)造成焊接接頭熱影響區(qū)及焊縫的硬度減小，即出現(xiàn)焊接接頭軟化現(xiàn)象，主要原因是焊接過程中的高溫會(huì)使Mg元素蒸發(fā)，導(dǎo)致焊縫中的固溶效果減弱[14]。在焊接速度和等離子電流不變的情況下，送絲速度越大，輸入熔池內(nèi)的熱量就越少，而填絲量增加。因此相比于7 m/min的送絲速度，送絲速度9 m/min所形成的熱影響區(qū)要略窄些，硬度變化稍快。

2.4 接頭拉伸性能及斷口分析

5083母材及1#試樣和2#試樣的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。當(dāng)送絲速度為7 m/min時(shí)，平均抗拉強(qiáng)度為255 MPa，延伸率為11.1%，分別達(dá)到母材的79.5%和61.0%;當(dāng)送絲速度為9 m/min時(shí)，平均抗拉強(qiáng)度為268 MPa，延伸率為12%，達(dá)到了母材的83.5%和65.9%。斷裂位置發(fā)生在熔合區(qū)附近，該區(qū)域?yàn)榘牍虘B(tài)區(qū)，成分及組織不均勻，可以推測(cè)，該系列鋁合金的熔合區(qū)為該焊接接頭的力學(xué)薄弱環(huán)節(jié)。

兩種送絲速度下的接頭拉伸斷口形貌如圖5所示?？梢钥闯?，兩種送絲速度下接頭的斷裂面處凸凹不平，且有大量韌窩，兩斷口均呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征。送絲速度為7 m/min時(shí)，斷口韌窩尺寸較小而分布均勻，說明斷裂過程較均勻;送絲速度為9 m/min時(shí)，斷口處有尺寸大且深的韌窩，說明接頭是經(jīng)歷了較長的塑性變形才發(fā)生斷裂，韌性更好。

3 結(jié)論

（1）保持焊接速度和等離子電流不變，兩種送絲速度下均可獲得優(yōu)良的焊縫成形，接頭組織形貌相似，焊縫中心為呈樹枝狀晶的鑄造組織，熔合區(qū)和熱影響區(qū)主要為柱狀晶組織，母材為典型的軋制纖維組織。送絲速度為9 m/min的焊接接頭，其熔合區(qū)寬度和焊縫區(qū)等軸樹枝狀晶粒尺寸均小于送絲速度為7 m/min的焊接接頭。

（2）兩種送絲速度下的接頭硬度分布均呈“ W ”形，焊縫和熔合區(qū)的平均硬度均低于母材硬度。焊接接頭硬度最低點(diǎn)均在距離焊縫中心3～4 mm處的熔合區(qū)。送絲速度為7 m/min的接頭，距離焊縫中心約3 mm處達(dá)到硬度的最低值56.5 HV，約為母材的76%，接頭軟化更為顯著。

（3）兩種送絲速度下的接頭拉伸斷裂均出現(xiàn)在熔合區(qū)附近。送絲速度9 m/min的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別為 268 MPa和12%，達(dá)到了母材的83.6%和65.9%，均高于送絲速度為7 m/min

的焊接接頭。斷裂機(jī)制均為韌性斷裂。

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