6061鋁合金CMT與MIG焊接頭組織及性能研究

董 穎，于建明，康 銘，鄧 鑫，楊振東

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

0 前言

近年來，隨著全球工業(yè)化的不斷發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺問題日益突出。在充分滿足使用要求的前提下，如果能夠大量采用輕金屬替代鋼鐵等密度較大的金屬材料，就可使結(jié)構(gòu)輕量化。鋁合金因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高以及優(yōu)良的加工性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸和建筑等領(lǐng)域[1-3]。6061 屬于Al-Mg-Si 系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，因其具有中等強(qiáng)度、可成型性、可焊性、耐蝕性良好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于具有一定強(qiáng)度要求且抗蝕性高的各種工業(yè)構(gòu)件，如新能源汽車、城鐵客車、塔式建筑或固定裝置等[4-5]。

鋁合金焊接技術(shù)主要包括熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）、激光焊、攪拌摩擦焊等[6]。由于可熱處理強(qiáng)化鋁合金在熔焊時(shí)產(chǎn)生的較大熱輸入會(huì)導(dǎo)致接頭的熱影響區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)度損失，從而降低接頭質(zhì)量，因此合理控制熱輸入量在一定程度上會(huì)改善接頭質(zhì)量。CMT（冷金屬過渡技術(shù)）在焊接時(shí)采用抽拉絲的方式控制熱輸入，熔滴在熄弧狀態(tài)下過渡到焊縫，從而降低了焊接熱輸入量。本文選用MIG焊和CMT焊對(duì)2 mm厚的6061鋁合金進(jìn)行對(duì)比性工藝研究，對(duì)兩種焊接接頭的表面成形、力學(xué)性能、接頭微觀組織進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?061-T6可熱處理強(qiáng)化鋁合金，尺寸為300 mm×150 mm×2 mm。填充材料為ER5356，焊絲直徑為1.2 mm。保護(hù)氣體為Ar，純度＞99.99%，母材和焊絲化學(xué)成分如表1所示，母材力學(xué)性能如表2所示。焊縫采用對(duì)接不開坡口形式，焊前使用丙酮清理母材表面油污、灰塵等，用氣動(dòng)鋼絲刷打磨焊縫及其兩側(cè)25 mm區(qū)域內(nèi)氧化膜直至露出金屬光澤，并用酒精對(duì)待焊部位進(jìn)行清理。裝配壓緊后，在焊前再次使用酒精清洗焊接部位。

表1 6061鋁合金和ER5356焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表2 6061鋁合金母材力學(xué)性能

試驗(yàn)采用Fronius CMT 5 000 焊機(jī)及KUKA KR90 機(jī)器人等設(shè)備進(jìn)行焊接。CMT 焊接工藝中的送絲速度與焊接電流及電壓為一元化調(diào)節(jié)方式，即通過選擇送絲速度來設(shè)置焊接電流和電弧電壓，電弧狀態(tài)可以通過弧長修正進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形情況

圖1 所示分別為CMT、MIG 焊縫外觀形貌，圖2為二者的宏觀形貌。從圖1中可看出CMT焊接接頭表面光滑，MIG 焊縫表面存在均勻的魚鱗紋。從試驗(yàn)結(jié)果可知，在合理的焊接工藝下兩種焊接方法均取得了較好的表面成形，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋、氣孔等缺陷，焊接接頭內(nèi)部質(zhì)量良好。

圖1 焊縫外觀形貌

圖2 焊縫宏觀形貌

2.2 拉伸性能分析

對(duì)拉伸試樣的焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸破壞性試驗(yàn)，其結(jié)果見表4。由表中數(shù)據(jù)可知，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)，CMT、MIG焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)分別為205.671 MPa和195.710 MPa，分別達(dá)到實(shí)際母材抗拉強(qiáng)度的74%和72%。

CMT 焊接試件的抗拉強(qiáng)度略高于MIG 焊接試件，這可能是CMT 特有的冷技術(shù)過渡技術(shù)造成的。在焊接過程中的熔滴過渡時(shí)，電弧呈熄滅狀態(tài)，熔滴短路過渡，有效地減少了對(duì)焊縫的熱輸入，進(jìn)而形成不同性能的焊縫熱影響區(qū)。

表4 接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 彎曲性能分析

對(duì)焊接接頭進(jìn)行彎曲測(cè)試，其結(jié)果如表5和圖3所示。結(jié)果表明：6061-T6鋁合金CMT焊接和MIG焊接接頭彎曲性能良好，彎曲試驗(yàn)合格。

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖3 焊接接頭彎曲式樣

2.4 焊接接頭金相組織

接頭焊縫區(qū)及熔合區(qū)的微觀組織如圖4 和圖5所示。由圖可見，在兩種焊接方法的焊縫區(qū)中，多元低熔點(diǎn)共晶組織呈網(wǎng)狀分布在枝晶間[8]。相對(duì)于MIG 焊來說，CMT 焊縫枝晶網(wǎng)更小，晶粒分布均勻。熔合區(qū)附近的母材處于熔化和半熔化狀態(tài)，伸向焊縫金屬內(nèi)的枝晶生長緩慢，呈柱狀，且釋放出來的凝固熱量都向熱影響區(qū)的固相方向散去。兩種焊接方法下的晶粒均發(fā)生長大，MIG焊接（圖4（b））相對(duì)于CMT 焊（圖4（a））晶粒尺寸略大，并且在晶界上有明顯的第二相析出。CMT焊縫組織更為細(xì)小，低熔點(diǎn)共晶引起的晶界粗化特征較小，因此CMT焊縫具有相對(duì)較高的力學(xué)性能。

圖4 焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織

圖5 焊接接頭熔合區(qū)顯微組織

3 結(jié)論

（1）6061-T6 鋁合金通過CMT 和MIG 焊均能得到較好的焊縫成形，且焊縫金屬表面均勻、無缺陷。

（2）CMT 和MIG 焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)分別為205.671 MPa和195.710 MPa，試樣斷裂位置為焊接接頭的熱影響區(qū)，CMT焊接接頭的抗拉強(qiáng)度略好于MIG焊接接頭。

（3）焊縫區(qū)存在明顯的等軸樹枝晶，熔合線靠近焊縫一側(cè)為粗大的柱狀晶，靠近母材一側(cè)晶粒長大，CMT焊縫組織更為細(xì)小。