鋁合金對接接頭MIG焊組對間隙及鈍邊尺寸研究

石換軍

通號軌道車輛有限公司 湖南長沙 410217

1 序言

鋁合金具有密度低、耐蝕性高、韌性好、可再生利用等優點，在汽車、軌道交通、航空航天等領域應用廣泛。在眾多的焊接工藝方法中，鋁合金MIG焊接工藝在其中的應用優勢顯著，具有焊接質量高、設備輕便、工藝簡單、成本低廉等特點。鋁合金因其熱導率和膨脹系數大的物理特性，所以在MIG焊焊接時會產生較大的焊接變形。焊接變形的大小主要與產品結構、焊接熱輸入、焊接填充量等因素相關[1]，其中填充量主要與接頭間隙、鈍邊及坡口角度等密切相關，現有的參照標準為ISO 9692-3：2016，其對于板厚6～25mm的鋁合金建議鈍邊c≤3mm、間隙4mm≤b≤10mm。

本文將針對10m m厚6082（T6）鋁合金板的MIG焊對接接頭小于標準建議的間隙、標準建議范圍內的鈍邊對接頭熔合情況及力學性能進行研究，為鋁合金產品接頭優化設計提供改進方向。

2 試驗方案

選用10mm厚6082（T6）鋁合金板作為研究對象，焊接方法為MIG焊，坡口角度70°，在保證其他參數相對穩定的前提下，采用交叉變量法調整焊接間隙、鈍邊尺寸。接頭形式：帶可移除襯墊的V形對接接頭（見圖1）。

圖1 接頭形式

利用福尼斯TPS5000焊機焊接試板，利用不銹鋼試板焊接工裝進行輔助固定，選用進口SAFRA ER5087、φ1.2mm實芯焊絲作為填充材料[2]，選用70%Ar+30%He作為保護氣體，通過調整焊接間隙、鈍邊尺寸，制備并使用MIG焊接16個試件。試驗中的焊接電流、電弧電壓均按波動范圍中間值進行記錄，試驗方案及對應的焊接參數見表1～表4。

表1 無鈍邊，組對間隙不同時的焊接參數

表2 1mm鈍邊，組對間隙不同時的焊接參數

表3 2mm鈍邊，組對間隙不同時的焊接參數

表4 3mm鈍邊，組對間隙不同時的焊接參數

3 試驗結果及分析

對每個項目取4個截面做宏觀金相分析，選取典型金相如圖2～圖5所示。

圖2 1#～4#試件宏觀金相形貌

在鈍邊為0、各種焊接間隙時宏觀金相顯示熔合狀況良好；在間隙為2mm、3mm，且c=0～3mm時宏觀金相顯示熔合狀況良好，見表5。

對于合格率≥50%的試件，通過調整參數和加強實操練習有可能實現焊縫完全合格，此試驗不再做研究。

圖3 5#～8#試件宏觀金相形貌

圖4 9#～12#試件宏觀金相形貌

圖5 13#～15#試件宏觀金相形貌

表5 宏觀金相結果統計

根據ISO 4136：2012標準，對金相合格的試樣進行拉伸試驗：制備2個拉伸試樣，抗拉強度均值見表6。

表6 抗拉強度結果 （MPa）

根據ISO 15614-2：2005要求，10mm厚6082（T6）鋁合金抗拉強度最小為300MPa，MIG焊接頭失效系數為0.6，故抗拉強度＞180MPa時合格，則送檢試件抗拉強度均合格，且斷裂發生在熱影響區。

由于焊接熱輸入大，離焊縫較近的熔合區溫度非常高，母材T6狀態時效析出的Mg2Si粒子會大部分固溶到α（Al）基體中形成過飽和固溶體。而離焊縫較遠的區域，焊接加熱溫度超過了原有的時效處理溫度，但又未達到固溶溫度，出現了過時效效應，從而產生過析出軟化區[3]，故接頭斷裂位置一般出現在焊接熱影響區。

根據ISO 5173：2009標準，對金相合格的試樣進行彎曲試驗：制備2個背彎試樣。彎曲試樣采用φ100mm圓形壓頭、支輥間距125mm、彎曲角度180°。5#、9#、13#、14#試件根部未熔合，不做背彎試驗（見表7）。

表7 背彎試驗結果

8#（c=1m m，b=3m m）試件、16#試件（c=3mm，b=3mm）熱影響區裂紋4～10mm不合格（按ISO 15614-2：2005要求裂紋≤3mm），其余試件彎曲試驗合格。

根據相關文獻資料，10m m厚6082（T6）焊接接頭彎曲性能差，彎曲角度超90°時會出現裂紋[4]，本次試驗不合格的試樣中，8#試樣180°背彎后出現2～5mm裂紋，16#試樣180°背彎后出現2～10mm裂紋，其余合格，結果優于相關文獻。

焊縫鈍邊相同時，焊接間隙越小，焊接時間越少；組對間隙相同時，鈍邊越大，焊接時間越少（見表8）。

表8 焊接時間統計 （s）

ISO 9692-3：2016標準1.3中對于“母材厚度6～25mm時，焊接間隙為4mm≤b≤10mm”的建議，焊接間隙要求普遍較大且范圍較廣，尤其是對于6～10mm母材焊接而言，會造成焊接熱輸入較大、變形較大、效率降低。因此在實際生產工藝制定時，可適當縮小標準規定的范圍，制定公司內部通用標準，對于不同厚度范圍的母材焊接，細化焊縫細節規定，以達到工藝優化，減小焊接熱輸入，減小焊接變形，提升焊接效率的目的。

4 結束語

通過對不同焊接間隙、不同鈍邊條件下的10mm厚6082（T6）對接接頭MIG焊焊縫分析，以及通過抗拉強度、背彎試驗、焊接效率等信息的收集及對比分析，得出如下結論。

1）綜合考慮，鈍邊c=1～2mm、間隙b=2mm時，焊接效率與焊接質量最優。

2）當焊接間隙小于ISO 9692-3：2016標準建議值時，也可得到質量穩定的合格焊縫，且可得到更高的焊接效率、更小的焊接變形。