焊接工藝對6005A-T6鋁合金焊接接頭晶間腐蝕性能的影響

姜丕文， 賈永強， 康 銘， 林傳冬， 金文福， 孫 巍

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

6000系Al-Mg-Si合金屬于可熱處理強化的變形鋁合金，具有中等強度、良好的耐蝕性、以及良好的成形性和焊接性等綜合性能，被廣泛應用于航空航天、交通運輸和建筑等領域[1-2]。焊接是高速列車車體集成時所采用的關鍵技術，焊接接頭的可靠性決定著高速列車運行中車體的安全可靠性[3-6]。激光填絲焊（laser wire filler welding，LFW）具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區小和焊接變形小的特點[7-8]。冷金屬過渡（cold metal transfer，CMT）焊技術是Fronius公司開發出的一種新型焊接工藝，具有高熔敷效率、低熱輸入和無飛濺等特點[9]。熔化極惰性氣體保護（melt inert-gas，MIG）焊施焊靈活，設備便宜。這些方法在高速鋁合金列車車體型材的焊接中得到了廣泛應用。目前6005A-T6鋁合金焊接接頭的研究主要集中在焊接工藝參數、力學性能、微觀組織等方面，對于焊接接頭處的晶間腐蝕少有研究。

6000系鋁合金雖然具有良好的耐蝕性，但若不采用適當的均勻化處理和熱處理，Cu含量及Mg與Si的質量比等因素會增加合金的晶間腐蝕敏感性[10-12]。尤其在焊接過程中，由于焊接熱輸入的影響，合金元素多沿晶界析出，導致沿晶腐蝕[13]。所以，對不同焊接方法下的焊接接頭腐蝕問題的研究十分重要。本文采用LFW、脈沖CMT焊和脈沖MIG焊方法，對6005A-T6鋁合金進行焊接，分別對焊接件接頭處進行晶間腐蝕實驗，研究在不同焊接方法下6005A-T6鋁合金焊接接頭處的抗晶間腐蝕能力。

1 實驗材料與方法

1.1 材料

實驗選用6005A-T6鋁合金板材做母材，尺寸規格為300 mm×150 mm×6 mm，焊絲選用ER5356鋁鎂合金，焊絲直徑為1.2 mm，保護氣體為氬氣（質量分數為99.999%）。母材和焊材的化學成分如表1所示。

表1 母材與焊材化學成分 (質量分數/%)Tab.1 Chemical composition of the base metal and welding wires (mass fraction/%)

1.2 方法

LFW的激光發生器為TruDisk-8002碟片式激光器，激光頭為HIGH-YAG BIMO可變雙焦點LFW接頭，采用KUKA六軸工業機器人作為LFW載體；MIG焊設備為Fronius TPS 5000半自動焊機；CMT焊設備選擇Fronius CMT 5000焊機，搭載KUKA六軸工業機器人。MIG焊與CMT焊的焊接方式均選擇一元化調節方式，即一個參數改變其他參數自動進行匹配。

焊接前使用氣動鋼絲碗刷將鋁合金表面打磨出金屬光澤，用酒精清除表面油污等雜質，LFW對接接頭呈“I”形坡口，完成焊接單面焊雙面成形，背部放有銅襯墊。CMT焊與MIG焊對接接頭呈“V”形坡口，進行焊接單面焊雙面成形，背部也放置非永久襯墊。

焊接工藝參數如表2～4所示。對焊接件接頭處進行相同條件的晶間腐蝕處理，試劑為H2O（100 mL）、NaCl （2.1 g）和HCl （6.5 g）的混合溶液，腐蝕時間為6 h。對腐蝕后表面進行觀察，并沿垂直焊縫方向鋸開，測量接頭處最大腐蝕深度。

表2 LFW工藝參數Tab.2 Parameters of the LFW welding

表3 CMT焊工藝參數Tab.3 Parameters of the CMT welding

表4 MIG焊工藝參數Tab.4 Parameters of the MIG welding

2 實驗結果及分析

2.1 宏觀形貌

對經不同腐蝕時間處理后的焊接接頭處進行表面宏觀觀察，結果如圖1所示。由圖1可知，焊縫區及其兩側腐蝕程度有明顯的差異，總體來看，CMT焊和MIG焊所得焊接件接頭處抗晶間腐蝕性能較好，MIG焊和CMT焊的接頭處和熱影響區腐蝕程度較小；CMT焊較MIG焊焊縫區腐蝕程度更小，但熱影響區腐蝕程度很大。3種焊接件的熱影響區都存在明顯的條狀腐蝕坑，CMT焊和MIG焊焊縫區表面腐蝕嚴重，有大量小而深的腐蝕坑，由于多孔的焊縫對光的反射弱于母材，故焊縫區發黑。

圖1 接頭處腐蝕后的宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of the welding joints after corrosion

2.2 顯微組織

使用蔡司M2m光學顯微鏡對焊接接頭處、熔合區和熱影響區進行觀察，結果如圖2～4所示。由圖2可知，3種接頭熔合線附近主要為柱狀晶組織，LFW接頭處組織較CMT焊和MIG焊的細小，熔合區寬度也最小，CMT焊較MIG焊熔合區寬度窄，焊縫邊緣組織細小，但熱影響區組織粗大。由于LFW焊接時速度快，接頭經過快速熔化與凝固過程，使得組織最細小，CMT焊焊接速度較MIG焊的稍快，但其焊接電流與焊接電壓要比MIG焊的大得多，因此，CMT焊的熱輸入要比MIG焊的大。所以CMT焊熱影響區組織晶粒尺寸較MIG焊的大。

2.3 腐蝕后顯微組織

使用蔡司M2m光學顯微鏡對焊接件的焊縫區及熱影響區腐蝕情況進行觀察，腐蝕深度見表5，腐蝕形貌如圖5～6所示。由表5和圖5～6可知：LFW較CMT焊與MIG焊接頭處晶間腐蝕的深度都小；當使用MIG焊時接頭處腐蝕深度最大，為121.8 μm；當使用CMT焊時熱影響區的腐蝕深度最大，為542.3 μm；不同焊接方法得到的焊接件熱影響區的抗晶間腐蝕能力均差。原因主要是由于LFW接頭處和熱影響區組織細小，所以其耐腐蝕性最強，而CMT焊較MIG焊熱影響區的組織略大，導致其熱影響區腐蝕深度最深。

圖4 熱影響區顯微組織Fig.4 Microstructures of the heat affected zones

圖5 焊縫區腐蝕后顯微組織Fig.5 Microstructures of the welding zones after corrosion

文獻[14]研究表明：對于6000系鋁合金，當Mg和Si原子比小于1.73時，合金中含有過剩的Si，Si與Mg2Si相會在晶界上析出，Si與Mg2Si相附近的無沉淀析出帶會先發生腐蝕，之后的腐蝕會沿著Si附近的無沉淀析出帶和Mg2Si相附近的無沉淀析出帶慢慢地擴展，并且過剩的Si會促使Mg2Si相附近的無沉淀析出帶的陽極溶解，增加合金的晶間腐蝕傾向性。因此，在焊接件熱影響區的過時效區，由于溫度低于Mg和Si原子的固溶溫度，此處Mg2Si相發生聚集長大，導致其抗晶間腐蝕能力最弱。

3 結 論

（1）試樣LFW、CMT焊與MIG焊接頭的金相組織相似，熔合線靠近焊縫一側均為柱狀晶組織，靠近熱影響區一側均為等軸晶組織。

（2）LFW接頭較CMT焊接頭、MIG焊接頭焊縫區和熔合區組織細小，熔合區寬度也小。

圖6 熱影響區腐蝕后顯微組織Fig.6 Microstructures of the heat affected zones after corrosion

（3）LFW接頭處抗晶間腐蝕性好，CMT焊熱影響區腐蝕程度大。

（4）3種焊接工藝下的焊接件，熱影響區的抗晶間腐蝕能力最差。