5A06鋁合金GMAW熔透接頭組織與性能對比研究

姚尚坤，馮曰海，黃 俊，王立新，趙斌彬

1.南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094

2.內蒙古第一機械集團股份有限公司 工藝研究所，內蒙古 包頭 014010

0 前言

5A06鋁合金具有較高的比強度、良好的耐蝕性和熱穩定性［1-3］，在航空航天、汽車、兵器裝備等領域中得到了廣泛應用。鋁合金結構件的高效自動化焊接一直是研究熱點，目前鋁合金機器人弧焊常采用鎢極惰性氣體保護焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護焊（MIG）工藝。TIG焊具有電弧穩定、飛濺少、焊縫成形美觀等優點，但效率低及填絲方式使得其空間靈活性差，不適合小批量全位置自動化焊接生產。因此，目前MIG焊仍是鋁合金小批量全位置自動化焊接的最佳選擇。

為提高接頭質量，在傳統直流MIG焊基礎上發展出了P-MIG焊、CMT焊、AC-CMT焊、CMT+P焊等新的熔化極氣體保護焊（GMAW）工藝。P-MIG焊相比傳統MIG焊，可以在焊接平均電流低于噴射過渡臨界電流的情況下實現熔滴的噴射過渡，同時脈沖能夠起到對熔池振蕩的作用，有利于熔池中氣體的逸出；CMT焊通過協調送絲控制及實時監控實現焊接過程中的冷熱循環交替，較傳統MIG焊和MAG焊具有無飛濺、穩定、熱輸入低等優點［4］；交流冷金屬過渡焊（AC-CMT）將傳統的CMT直流波形變為交流波形，具有更低的熱輸入，同時可以起到陰極霧化的作用［5-6］；脈沖冷金屬過渡焊（CMT+P）是由CMT階段和脈沖階段組成，CMT階段具有較低的熱輸入，脈沖階段具有較高的熱輸入，可以在較高的熱輸入條件下實現穩定的熔滴過渡，具有更高的熱輸入調節范圍［7］。劉紅偉［8］等人分別采用鎢極氬弧焊和攪拌摩擦焊對3 mm厚5A06鋁合金進行焊接，結果表明，攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度和疲勞強度都高于鎢極氬弧焊接頭。陳文靜［9］等人采用電子束工藝焊接5A06鋁合金，通過優化工藝參數得到了性能良好的焊接接頭。目前涉及AC-CMT、CMT、P-MIG及CMT+P四種工藝的5A06鋁合金焊接的相關研究較少，僅局限于某一方面的研究，如僅針對氣孔或組織及性能展開的相關研究，對于不同工藝特點的研究不夠深入全面，無法滿足工程應用的實際需要。

本文采用P-MIG、CMT、AC-CMT和CMT+P四種焊接工藝對5A06鋁合金進行試驗研究，深入對比分析不同工藝下獲得的接頭的成形特征、氣孔分布、顯微組織和力學性能，找出不同工藝對接頭氣孔分布、顯微組織和力學性能的影響規律，揭示不同工藝之間的區別及應用特點，為實現5A06鋁合金薄壁油箱高效高質的自動化焊接提供工藝基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料與設備

試驗母材為5A06鋁合金，試板尺寸300 mm×100 mm×3 mm，焊接材料采用直徑1.2 mm的ER5356焊絲，母材與焊絲的化學成分如表1所示，保護氣體采用純度≥99.99%的純氬。接頭形式為對接接頭，I型坡口，坡口間隙1.0 mm，如圖1所示。試驗設備為IRB 1410-5/1.45型號的ABB工業弧焊機器人和CMTAdvance 4000R的焊機。采用DSO-X4024型示波器采集焊接電流和電壓，AC-CMT、CMT、CMT+P工藝的電弧熱效率取 0.8［10］，P-MIG 工藝取 0.7［11］。通過前期工藝試驗，在保證熔透和焊縫成形良好的條件下，選取4種不同焊接工藝參數，如表2所示。

圖1 焊接接頭示意Fig.1 Schematic diagram of welded joints

表1 母材及焊絲化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of base metals and filler wires（wt.%）

表2 5A06鋁合金焊接工藝參數Table 2 Welding parameters of 5A06 aluminum alloy

1.2 試樣制備和檢測

焊接后沿焊縫垂直方向制取拉伸試樣、彎曲試樣和金相試樣，拉伸試樣及彎曲試樣尺寸如圖2所示。對金相試樣進行研磨拋光，拋光后采用2.5%的氟硼酸水溶液電解腐蝕90 s左右，在MR5000光學顯微鏡下觀察接頭的宏觀形貌及顯微組織；在室溫下采用型號為CSS-44100的電子萬能試驗機進行拉伸和彎曲試驗，拉伸試驗加載速率為2 mm/min，彎曲試驗時壓頭直徑為15 mm，輥筒跨距為24 mm，輥筒直徑為30 mm；采用Quanta 250F掃描電鏡對拉伸及彎曲斷口進行觀察。

圖2 拉伸和彎曲試樣尺寸Fig.2 Dimensions of tensile and bending specimens

2 試驗結果與分析

2.1 實現對接熔透態的不同工藝熱輸入分析

四種工藝下實際測量的電流電壓波形如圖3所示。圖3a、3b為典型的CMT波形，熔滴均為短路過渡。圖3c為典型的脈沖電流電壓波形，熔滴過渡為射滴過渡。圖3d為CMT+P工藝下電流電壓波形，由脈沖波形和CMT波形組成，在脈沖階段熔滴過渡為射滴過渡，CMT階段熔滴過渡為短路過渡。由于射滴過渡時電流較大，熔滴過渡到熔池中溫度較高，造成熔池溫度較高，而短路過渡時，熔滴在接觸到熔池時電流迅速降低，使得熔滴過渡到熔池中溫度較低［12］，因此相比AC-CMT、CMT和CMT+P工藝，在相同送絲速度下，P-MIG工藝下熔池溫度較高，熔透時所需熱輸入較小。同時由表2可知，ACCMT、CMT和CMT+P實現完全熔透所需熱輸入分別為1 035 J/cm、1 084 J/cm和1 190 J/cm，P-MIG需要的熱輸入相對更小，為887 J/cm。

圖3 不同焊接工藝下實測的電流電壓波形Fig.3 Voltage and current waveform with different processes

2.2 不同工藝下焊縫熔透成形特點對比分析

不同工藝下的焊縫宏觀形貌如圖4所示，焊縫橫截面尺寸如表3所示。由表3可知，AC-CMT正面熔寬最大，為6.90 mm，P-MIG正面熔寬最小，為5.64mm，相差18.3%；CMT背面熔寬最大，為4.67mm，P-MIG背面熔寬最小，為3.93 mm，相差15.8%；ACCMT正面余高最大，為0.73 mm，P-MIG正面余高最小，為0.24 mm，相差67.1%；CMT背面余高最大，為2.57 mm，P-MIG背面余高最小，為2.13 mm，相差17.1%。分析認為，不同工藝的正面余高相差較大是因為P-MIG工藝下送絲速度較慢，在相同的焊接速度下焊絲熔化量較少，同時結合圖3的分析可知，P-MIG工藝下熔滴過渡為射滴過渡，熔滴存在較大的向下沖擊力，使得熔池內金屬液向下流動，因此PMIG工藝下正面余高較低。而AC-CMT、CMT工藝送絲速度較快且熔滴過渡為短路過渡，CMT+P工藝在CMT階段熔滴過渡為短路過渡，熔滴在與熔池接觸時焊絲迅速回抽，減少了對熔池的沖擊力，熔池內金屬液向下流動較少，使得焊縫正面余高較高。

表3 四種工藝焊縫橫截面尺寸Table 3 Dimensions of weld transverse section with four processes

圖4 不同工藝下焊縫宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of weld with different processes

2.3 不同工藝下焊縫氣孔分布特征

四種工藝下的焊縫縱截面和橫截面上氣孔分布如圖5所示。可以看出，P-MIG工藝下僅在焊縫中部分布著幾個尺寸較小的氣孔（見圖5c），AC-CMT與CMT+P焊縫縱截面與橫截面氣孔較P-MIG工藝明顯增多（見圖5a、5d），CMT工藝下焊縫縱截面及橫截面上氣孔分布更為密集（見圖5b），且在觀察區域內縱截面和橫截面上均有分布。分別對橫、縱截面上氣孔分布進行統計，焊縫縱截面長度30 mm、寬度（焊縫熔深）3.4 mm（面積102 mm2），橫截面則重點針對焊縫區腰部區域（面積9.1 mm2），結果如圖6所示。在焊縫縱截面上（見圖6a），四種工藝下焊縫均分布著尺寸為10～100 μm的氣孔，大于100 μm的氣孔較少。P-MIG工藝尺寸在10～50 μm和50～100 μm的氣孔分別為2個和3個，而尺寸大于100 μm的氣孔僅1個，為四種工藝中最少的；CMT工藝下焊縫氣孔尺寸在10～50 μm和50～100 μm的分別為17個和36個，而尺寸大于100 μm的氣孔高達10個，為四種工藝中最多的。在焊縫橫截面上（見圖6b），P-MIG工藝下焊縫僅有3個尺寸在10～100 μm的氣孔；相比于P-MIG工藝，AC-CMT和CMT+P工藝下焊縫氣孔數量有所增多，尺寸在10～50 μm的氣孔分別為4個和6個，50～100 μm的氣孔分別為10個和11個，大于100 μm分別為1個和2個；而CMT工藝下尺寸在10～50 μm和50～100 μm焊縫氣孔分別為10個和27個，尺寸大于100 μm的氣孔有6個，為四種工藝中最多的。綜上，P-MIG工藝下焊縫縱橫截面氣孔數量均為最少。這是因為在P-MIG工藝中，脈沖對熔池能夠起到振蕩作用，加速熔池氣體逸出，從而減少焊縫中的氣孔數量。

圖5 不同工藝下焊縫縱截面與橫截面氣孔Fig.5 Pores of weld longitudinal section and transverse section with different processes

圖6 不同工藝下氣孔分布Fig.6 Pores distribution with different processes

2.4 不同工藝下接頭的顯微組織

四種工藝下接頭熔合線附近顯微組織如圖7所示。由圖可知，四種工藝下接頭BM區均為等軸晶，且晶粒均較為細小。由圖7a、7b可知，AC-CMT與CMT工藝下的HAZ均為等軸晶，HAZ寬度分別為275 μm、325 μm；由圖7c、7d可知，P-MIG與CMT+P工藝下的HAZ也同樣為等軸晶，但晶粒更為粗大，HAZ寬度分別為412 μm、407 μm，相較AC-CMT與CMT工藝有所增加。結合圖3分析可知，相較于PMIG與CMT+P工藝，AC-CMT與CMT工藝下的熔滴過渡為短路過渡，熔滴在接觸到熔池時電流接近零，熔池溫度較低，從而使得AC-CMT與CMT工藝下的HAZ區寬度相對較小。同時在圖7a、7b的熔合線靠近焊縫區側發現了細小的等軸晶（FEG）。分析認為AC-CMT與CMT工藝下熔池溫度較低，且在熔合線處冷卻速度較快，使晶粒生長時間較短，進而形成了細小的等軸晶。

圖7 不同工藝下熔合線附近組織Fig.7 Microstructure of fusion line boundary with different processes

圖8為四種工藝下焊縫中心在偏光模式及明場模式下所拍攝的顯微組織。從偏光模式下的顯微組織可以看出，四種工藝下焊縫中心均為形狀規則的等軸晶且晶粒大小有明顯差異。AC-CMT與CMT接頭WZ晶粒較為細小（見圖8a、8b），晶粒平均直徑分別為81.04 μm、87.12 μm；P-MIG與CMT+P接頭WZ晶粒較為粗大（見圖8c、8d），晶粒平均直徑分別為129.28 μm、121.35 μm。可見AC-CMT接頭WZ區晶粒最為細小，而P-MIG接頭WZ區晶粒最為粗大。這主要是因為P-MIG工藝下熔滴過渡為射滴過渡，電流較大，所形成的熔滴溫度較高，造成熔池中的溫度較高，從而導致形成的晶粒較為粗大。由明場模式下顯微組織可知，四種工藝下WZ組織均以α-Al固溶體為主，在α-Al基體上彌散分布著大量呈點狀的析出相β-Al3Mg2。

圖8 不同工藝下焊縫區顯微組織Fig.8 Microstructure of weld zone with different processes

2.5 拉伸性能對比分析

母材和四種GMAW工藝下接頭拉伸試驗斷裂后的試樣照片如圖9所示，接頭均斷裂在焊縫中心區域。母材和四種工藝下接頭拉伸性能測試結果如圖10所示。可以看出，母材平均抗拉強度為357MPa，斷后延伸率20.2%。在四種工藝中，接頭抗拉強度分別為：P-MIG最高，為318 MPa，為母材的89.1%，斷后延伸率14.6%；CMT最低，為286 MPa，為母材的80.1%，斷后延伸率11%；AC-CMT為312 MPa，為母材的87.4%，斷后延伸率13.6%；CMT+P為302MPa，為母材的84.6%，斷后延伸率12.7%。接頭拉伸斷口形貌如圖11所示，四種工藝下的拉伸斷口均分布著細小的韌窩，為典型的韌性斷裂。相較于其他三種工藝，P-MIG工藝的韌窩尺寸細小（見圖11c），分布密集，且沒有氣孔，因此P-MIG工藝的接頭抗拉強度較高，與測試結果一致。由圖11b、11d可知，CMT工藝的拉伸斷口上分布著5個50～100 μm的氣孔，CMT+P工藝下拉伸斷口上分布著4個50～100 μm的氣孔，在拉伸過程中容易引起應力集中，是裂紋產生的主要源頭，嚴重降低接頭的抗拉強度，因此CMT與CMT+P工藝下接頭抗拉強度較低。

圖9 拉斷后試樣Fig.9 Specimens after tensile failure

圖10 試樣抗拉強度Fig.10 Ultimate tensile strength of the specimens

圖11 不同工藝下接頭拉伸斷口形貌Fig.11 Fracture morphology of tensile specimens with different processes

2.6 彎曲性能對比分析

根據GB/T 2653—2008彎曲試驗方法評定接頭彎曲性能。四種工藝下接頭正面與背面彎曲后的試樣如圖12所示，AC-CMT與P-MIG工藝下接頭正面與背面的彎曲角度均為180°，CMT工藝下接頭正面與背面彎曲角分別為53.5°和56°，CMT+P工藝下接頭正面與背面彎曲角分別為75°、84°。由圖12可知，AC-CMT與P-MIG工藝的接頭表面未出現裂紋，彎曲性能良好；CMT與CMT+P工藝的接頭在彎曲過程中表面均出現長度超過3 mm的裂紋，彎曲性能較差。CMT與CMT+P工藝下接頭彎曲斷口形貌如圖13所示。可以看出，CMT彎曲斷口上分布著7個50～100 μm的氣孔，CMT+P彎曲斷口上分布著4個50～100 μm的氣孔。分析認為，正是氣孔的存在導致CMT與CMT+P工藝下接頭彎曲性能較差，CMT工藝下彎曲斷口氣孔數量多于CMT+P，使得CMT工藝下接頭的彎曲角小于CMT+P工藝。

圖12 不同工藝下接頭彎曲形狀Fig.12 Bending shape of joint with different processes

圖13 彎曲試樣斷口形貌Fig.13 Bending fracture morphology

3 結論

（1）在實現對接接頭完全熔透的情況下，相比于AC-CMT、CMT和CMT+P工藝，P-MIG工藝的熔滴過渡為射滴過渡，熔池溫度更高，正面余高更低，熔透時所需熱輸入更小。

（2）P-MIG工藝下，焊縫橫截面觀察區域內10～50 μm和50～100 μm氣孔數量分別為1個和2個，焊縫縱截面上僅發現1個尺寸大于100 μm的氣孔，相比于AC-CMT、CMT和CMT+P三種工藝，P-MIG工藝下焊縫氣孔數量最少。

（3）相比P-MIG與CMT+P工藝，AC-CMT與CMT工藝焊縫區晶粒尺寸較小，熱影響區寬度較窄；四種工藝下接頭焊縫區的顯微組織均由α-Al和β-Al3Mg2析出相構成。

（4）P-MIG工藝下接頭抗拉強度為318 MPa，為母材強度的89.1%，相比AC-CMT、CMT和CMT+P工藝，抗拉強度最高，SEM觀察發現四種工藝下接頭斷裂形式均為韌性斷裂，CMT與CMT+P接頭斷口氣孔較多。相比于CMT與CMT+P工藝在彎曲過程中接頭表面出現裂紋，AC-CMT與P-MIG工藝下接頭均可以彎曲到180°，且接頭表面無裂紋。

總的來看，相比于AC-CMT、CMT和CMT+P工藝，P-MIG工藝下接頭具有最少的氣孔分布、最高抗拉強度和較好的彎曲性能，更加適合5A06鋁合金薄壁油箱機器人自動焊。