焊前預處理對AlSi10MgMn真空壓鑄件與鋁型材MIG焊接氣孔的影響

楊海 梁琳 肖帆 萬宇 孫東亮 熊揚揚

（1.江西江鈴集團新能源汽車有限公司，南昌330013；2.南昌市車用輕量化材料應用工程技術研究中心，南昌330013）

1 前言

由于環境危機及節能減排的需求，汽車輕量化成為汽車行業發展的重要方向，目前由于鋁合金真空壓鑄件集成度高、減重效果好等特點廣泛應用于汽車行業[1]。汽車用AlSi10MgMn 鋁合金真空壓鑄件(以下簡稱SF36)與鋁型材主要的連接方式為自沖鉚接[2]和熱熔自攻絲連接[3]，其次為MIG焊接等[4]，由于鋁型材是擠壓成型，屬于變形鋁合金，本體含氫量和疏松均較低，焊接時一般氣孔率較低，而SF36 與鋁型材的MIG 焊接過程很容易產生氣孔[5]，而氣孔對焊接接頭的強度特別是疲勞強度有著較大的影響[6-7]，這在一定程度上限制了其應用，對于SF36 焊接氣孔的來源主要是3 個方面[8-9]，一是鑄件本體中含有雜質和較多固溶氫；二是鑄造充型過程中卷入較多的氣體；三是焊接過程中工件的表面油污、焊絲表面和保護氣中的水分及空氣中的水汽。在焊接過程中由于活潑的鋁和水易反應產生氫，氫的溶解度在熔池液體狀態到固體狀態時相差20倍(在鋼中只相差不到2 倍)，從每100 g 含氫量為0.69 mL 陡降到0.036 mL，熔池凝固后大量氫無法溢出形成氣孔[10]。Komazaki[11]對每100 g Al 含氫量分別為1.6 mL 和3.5 mL、Si 含量為7.5%的鋁合金真空壓鑄件進行了MIG 焊接研究，選用焊絲為4 043 和5 356兩種，結果發現當鑄件含氫量為1.6 mL Al 時采用4043 和5356 焊絲均能得到較高質量的焊接接頭，當鑄件含氫量為3.5 mL Al時采用4 043焊絲能得到較高質量的焊接接頭。對于SF36 和型材焊接接頭，剖面氣孔率為1.23%時認為是質量較好的焊接接頭[12]，當降低焊接環境的大氣壓力時，并采用激光焊接時，能顯著降低SF36的焊縫氣孔率[5]。但目前對如何減少SF36 真空壓鑄件MIG 焊接氣孔的相關研究鮮有報道。基于公司開發的全鋁弧焊車身項目對真空壓鑄件SF36與6063-T6鋁型材的焊接氣孔改善進行了研究，主要考慮從生產線可實施角度對焊接試樣進行了焊前處理，然后進行MIG焊接，分析其對焊接氣孔的改善效果，焊前預處理包括依次對焊接試樣進行氧化皮打磨、酒精清洗和預熱處理，打磨和酒精清洗主要目的是為了去除SF36和鋁型材表面的氧化皮和油污，預熱處理主要是進一步去除試樣表面水分，從而從適應實際生產角度減少焊接氣孔的影響因素。

2 試驗

材料采用厚度為2.5 mm 的SF36-T7 真空壓鑄鋁合金和厚度為2 mm 的6063-T6 鋁合金型材，材料成分和力學性能分別見表1 和圖1，試樣長度約為120 mm，寬度約為60 mm，焊接形式采用對接，設置空白對照組和試驗組，空白組和試驗組均為3組平行樣品，空白對照組為不進行焊前處理，直接進行對接焊接。試驗采用伏能士TPS 4 000焊機，焊接電流為80 A，保護氣(99.99%Ar)流量為15 L/min，環境溫度20 ℃，環境濕度為49%。試驗組進行焊前處理，包括氧化皮打磨、酒精清洗和預熱處理(100 ℃鼓風干燥箱中放置30 min)，焊接參數同空白對照組。焊縫打磨后表面及剖面氣孔拍照觀測采用體式顯微鏡進行，并通過Image-Pro Plus 6.0 進行焊縫氣孔率統計，材料本體及焊縫力學性能采用MTS 萬能拉力機進行測試，焊縫剖面的顯微硬度采用顯微維氏硬度計檢測。

圖1 SF36鋁合金真空壓鑄件和6063-T6型材力學性能

3 結果與討論

分別對試驗用的SF36 真空壓鑄鋁合金試驗件和6061-T6 鋁合金型材進行氫含量測試，結果分別 為3.34 mL/100 g Al 和0.43 mL/100 g Al，發 現SF36 真空壓鑄鋁合金試驗件氫含量遠高于6061-T6 型材，所以在MIG 焊接后SF36 焊接接頭氣孔率會明顯高于鋁型材，另外對SF36 真空壓鑄鋁合金試驗件進行X 光檢測，確定焊接區域是否存在充型卷氣形成的氣孔，如圖2所示，發現試驗試片焊接區域充型過程基本無氣孔缺陷。

為研究焊前處理(氧化皮打磨、酒精清洗、100 ℃鼓風干燥箱中放置30 min的預熱處理)對SF36與型材MIG焊接氣孔的影響，將試驗分為2組，即空白對照組和試驗組，空白組表示不經過任何前處理直接焊接，試驗組表示經過如上述前處理后進行焊接，焊接后焊縫分別進行表面打磨和剖面切割后觀察氣孔狀態，空白對照組表面部分打磨后氣孔分布如圖3 所示，發現圖3a 和圖3c 表面有較為明顯的氣孔，同時對空白組剖面進行氣孔檢測，檢測位置為距離起弧位置15 mm的A1、A2、A3剖面及分別與其間隔15 mm位置的B1、B2、B3、C1、C2、C3剖面，剖面氣孔分布如圖4所示，發現9個剖面中7個剖面具有明顯氣孔，氣孔最大直徑0.64 mm，氣孔主要集中在焊縫接近表面位置。

圖2 SF36真空壓鑄鋁合金焊接試驗件X光照片

圖3 空白對照組表面打磨后氣孔分布(a-c)

圖4 空白對照組剖面氣孔分布

試驗組表面部分打磨后氣孔分布如圖5 所示，發現表面基本無可見氣孔，和空白對照組一致，在相同位置取剖面試樣，分析氣孔分布狀態，如圖6 所示。發現9 個剖面試樣中3 個具有明顯氣孔，氣孔最大直徑0.45 mm，氣孔主要集中在焊縫表面，采用Image-Pro Plus 軟件對空白對照組和試驗組的剖面的氣孔率進行了統計對比，如圖7所示，9 個焊縫剖面的氣孔率有小到大排序，發現空白對照組的氣孔率明顯高于試驗組，空白對照組的平均氣孔率為1.14%，試驗組的平均氣孔率為0.73%，Wiesner 等[12]認為SF36 真空壓鑄件焊縫氣孔率為1.23%是質量優良的接頭，發現空白對照組有4 組氣孔率超出1.23%，而試驗對照組只有1 組超出。

圖5 試驗組表面打磨后氣孔分布(d-f)

圖6 試驗組剖面氣孔分布

圖7 試驗組和空白對照組氣孔率統計

另外對空白對照組和試驗組的焊縫力學性能及焊縫剖面的顯微硬度進行了分析，如圖8 所示，發現焊縫中心區域的硬度最大，遠大于熱影響區和母材區，距離焊縫中心位置5～15 mm 區間的顯微硬度變化不大，可見SF36 與6063-T6 型材焊接在該區間受熱影響并不明顯，經過焊前處理后的焊接接頭顯微硬度并未發生變化，并對空白對照組和試驗組的焊接接頭力學性能進行對比。如圖9 所示，兩者之間焊縫強度基本相同，試驗組為平均178 MPa，空白對照組平均為184 MPa，斷裂在型材側，斷裂強度約為型材抗拉強度75%。

圖8 焊接接頭硬度分布

圖9 試驗組和空白對照組焊縫接頭強度曲線

4 結論

通過對SF36 真空壓鑄鋁合金和6063-T6 鋁型材件進行焊前預處理(氧化皮打磨、酒精清洗、預熱處理)后進行MIG 焊接，分析了該方案對于焊接氣孔的改善效果，結果如下。

a.焊前預處理對SF36 真空壓鑄鋁合金和6063-T6 鋁型材件MIG 焊接氣孔改善效果明顯，焊縫接頭剖面平均氣孔率由1.14%降低為0.73%。

b.焊縫接頭剖面中心區域顯微硬度值最高，接頭強度約為180 MPa，接頭效率為75%，焊前預處理對顯微硬度和接頭強度基本無影響。

下一步工作將進一步優化SF36 真空壓鑄工藝，降低鑄件本體中的氫含量，探討鑄件本體中的氫含量與焊接氣孔的關系，另一方面探討焊前處理中預熱處理如何轉化為焊接現場實施方案的可行性和便利性。