7A52鋁合金中厚板MIG焊接工藝優化

陳鵬達，徐 鍇，徐玉君，郭 梟，呂曉春

哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

7A52鋁合金是我國自行研制的Al-Zn-Mg系裝甲鋁合金，具有比強度高、斷裂韌性好、耐蝕性好、無磁性、抗低周疲勞性能優良等特點，已廣泛應用于裝甲車輛的車體、炮架、防護單元板等構件上，是國軍標唯一的高強可焊鋁合金，目前在航空航天、軌道交通等領域也得到了批量應用［1-6］。7A52鋁合金板材主要采用熔化極惰性氣體保護焊（MIG）和攪拌摩擦焊（FSW）［7-9］。FSW焊接質量較好，但操作不夠靈活，對于復雜焊縫的金屬結構不大適應，加之設備成本較高，所以絕大多數行業仍然采用 MIG 焊。7A52 鋁合金常用焊絲為 ER5356［10］。余進［11］等人采用雙絲MIG焊得到了性能良好的7A52鋁合金焊接接頭，大多數試樣接頭的抗拉強度大于280 MPa，焊接系數約為0.7。雖然MIG焊可使用的電流范圍較大，但是由于MIG焊能量密度較低，且不夠集中，在焊接導熱率極高的鋁合金時，熔深十分有限。若要獲得大熔深，則需要較高的熱輸入量和較低的焊接速度，但這會導致焊接接頭組織粗大、力學性能變差，且在厚板焊接過程中需要進行多道焊接，造成缺陷累加，焊后工件會出現嚴重變形。章友誼等［12］利用進口5356焊絲對7A52鋁合金進行雙面MIG焊接，接頭抗拉強度近300 MPa，焊縫組織由α（Al）+β（Mg2Al3）相組成，產生這種結果的原因是在較大電流下Zn幾乎都被蒸發掉了。雖然雙絲MIG焊接頭質量整體較優，但犧牲的是焊機的靈活性，需要兩臺焊機和一個通訊裝置來保證焊接過程兩個電弧之間互不干擾，控制過程復雜、難度大。單絲MIG焊機輕巧方便、機動靈活，強度能夠得到應用保證，在實際應用中起著不可替代的作用。

本文先采用單絲MIG方法在20 mm厚7A52鋁合金板材上進行焊接工藝試驗，然后采用焊接工藝試驗優化后的工藝參數進行熔敷金屬和對接接頭的焊接，焊后進行無損探傷、力學性能試驗、顯微組織觀察等，以期為制定ER5356焊絲焊接7A52鋁合金MIG焊接工藝提供理論和實驗依據。

1 試驗材料與方法

焊接熔覆金屬和對接接頭的母材為20 mm厚7A52鋁合金，保護氣體為質量分數為99.999%的氬氣，焊接設備為福尼斯 MIG TPS5000型半自動焊機。采用1.6 mm的ER5356焊絲，母材及焊絲的化學成分如表1所示。7A52母材抗拉強度為501 MPa。

表1 母材及焊絲的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of base metal and welding wire

對接接頭試板規格320 mm×150 mm×20 mm，接頭坡口形式示意如圖1所示；熔敷金屬試驗試板規格150 mm×125 mm×20 mm，坡口形式示意如圖2所示。試驗前打磨坡口兩側30 mm的部位及坡口內部，避免板材上的油污及氧化膜等對焊接質量的影響。

圖1 對接接頭坡口形式示意Fig.1 Groove form schematic of butt joint

圖2 熔覆金屬坡口示意Fig.2 Groove form schematic of deposited metal

對接試驗完成后，對試板進行X射線檢驗，執行標準GB/T 3323.1—2019《焊縫無損檢測 射線檢測 第一部分：X和伽瑪射線的照片技術》，檢驗合格后制備金相試樣和拉伸試樣。焊縫橫截面經研磨、NaOH-H2O溶液浸蝕后，用光學金相顯微鏡觀察焊接接頭金相組織，拉伸試驗按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》執行，硬度測量按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》進行。

2 試驗結果與分析

2.1 焊道成形試驗

在不同的焊接熱輸入下，采用ER5356焊絲在7A52試板上進行焊道成形試驗，工藝參數如表2所示。截取焊縫中間段橫斷面，如圖3所示，采用金相顯微鏡測量焊道橫截面的熔寬、熔深、余高、潤濕角等焊道成形特征，測量結果如表3所示。

表2 焊道成形試驗工藝參數Table 2 Welding processing parameters of weld forming

表3 不同熱輸入下的焊道成形尺寸Table 3 Weld forming size of under different welding processing parameters

圖3 焊道宏觀形貌Fig.3 Macroscopic appearance of weld bead

不同熱輸入下的焊道成形尺寸如圖4所示，隨著熱輸入的增加，焊道的熔寬、熔深增長明顯而余高變化不大。不同熱輸入下的焊縫深寬比變化趨勢如圖5所示，隨著熱輸入的增加，焊縫深寬比逐漸增加。不同熱輸入下的焊道兩側潤濕角平均值及差值變化如圖6所示，隨著焊接熱輸入的增加，焊縫兩側的潤濕角平均值逐漸減小，當焊接熱輸入超過0.88 kJ/mm，潤濕角兩側平均值減小得不明顯，焊接熱輸入為1.08 kJ/mm時，焊縫的潤濕角左右兩側均勻一致，相差最小，僅相差0.3°（57.6°，57.3°），焊縫兩側的潤濕角均勻一致，焊縫成形美觀，有利于熔敷金屬、對接接頭焊接時的焊道排布，獲得更好的層道間的焊縫熔合。此工藝參數下，焊道熔寬為11.8 mm，熔深為4.4 mm，余高為3.9 mm，焊縫的深寬比為0.37，成形良好，因此采用此焊接工藝參數進行對接接頭的焊接。

圖4 不同熱輸入下的焊道成形尺寸Fig.4 Weld bead forming dimensions under different heat inputs

圖5 不同熱輸入下的焊縫深寬比變化趨勢Fig.5 Variation trend of depth to width ratio of welding bead under different heat input

圖6 不同熱輸入下的焊道兩側潤濕角平均值及差值Fig.6 Average value and difference of wettability angle on both sides of weld bead under different heat input

2.2 焊接接頭金相組織分析

采用優化的工藝參數進行對接接頭焊接，焊接完成后進行X射線無損探傷，探傷結果為Ⅰ級，合格。對接接頭宏觀形貌見圖7a，斷面成形良好，未發現裂紋、氣孔、夾渣等超標缺陷。試樣橫截面焊縫中心金相形貌見圖7b，可觀察到晶內分布著許多細小的沉淀析出相，為焊縫中的強化析出相MgZn2，對焊縫起到一定的強化作用。熱影響區金相形貌見圖7c，母材金相形貌見圖7d，略呈帶狀分布特征，這是軋制過程中化合物破碎后沿壓延方向排列所致［13-14］。

圖7 對接接頭的宏觀形貌和微觀組織Fig.7 Macroscopic morphology and microstructure of welded joint

2.3 焊接接頭力學性能分析

焊接接頭的拉伸試驗結果如表4所示，接頭抗拉強度平均值為302.5 MPa，與相關研究中采用ER5356焊絲焊接7A52試板獲得的對接接頭強度值274.8 MPa［15］、298.3 MPa［16］、267 MPa［10］相當。ER5356焊絲熔敷金屬抗拉強度值為285 MPa。因焊材與母材為低強度匹配關系，且強度差異大，所以試樣斷裂位置均為焊縫區。7A52鋁合金焊接接頭的拉伸性能實際為焊縫性能。接頭強度高于熔敷金屬強度的原因是母材中Zn元素過渡到焊縫中，形成強化相，導致焊縫強度提高。對接接頭的成分分布EDS檢測結果如圖8所示，可明顯看出從母材到焊縫Zn元素的成分變化，焊縫中心的成分分布EDS檢測結果如圖9所示。

圖8 對接接頭的成分分布EDS檢測結果Fig.8 General EDS test result of welded joint

圖9 焊縫中心的成分分布EDS檢測結果Fig.9 General EDS test result of weld seam

表4 焊接接頭拉伸試驗結果Table 4 Tensile results of welded joints

焊接接頭的彎曲試驗結果表明，接頭具有良好的彎曲性能，未出現裂紋等缺陷。

焊接接頭硬度測試位置如圖7a所示，硬度分布如圖10所示，母材測試間距4 mm，熱影響區測試間距3 mm，焊縫測試間距1 mm，接頭熱影響區寬度15 mm，對接接頭硬度分布曲線表明，焊縫區硬度最低，這與拉伸試驗斷裂在焊縫的結果相互印證。

圖10 焊接接頭硬度分布曲線Fig.10 Hardness distribution curve of welded joint

3 結論

（1）焊道成形試驗結果表明，焊接熱輸入為1.08 kJ/mm時，焊道成形最優，焊縫成形美觀，采用此熱輸入進行7A52鋁合金試板的焊接，焊后表面成形良好，產生飛濺較小，無咬邊、裂紋等焊接缺陷，焊接對接接頭、熔敷金屬，X射線探傷結果為一級合格。

（2）對接接頭的宏觀形貌顯示焊縫熔合情況良好。通過對對接接頭橫截面進行微觀組織觀察，焊縫組織晶內分布著許多細小的沉淀析出相，為焊縫中的強化析出相，對焊縫起到一定的強化作用；母材組織略呈帶狀分布特征，這是由于在軋制過程中化合物破碎后沿壓延方向排列所致。

（3）7A52鋁合金焊接接頭抗拉強度平均值達到302.5 MPa，對接接頭系數平均值為0.74。試樣斷裂位置均為焊縫區。接頭的彎曲性能良好，未出現裂紋等缺陷。焊接接頭焊縫區硬度值最低，表明焊縫區為焊接接頭最薄弱區域，與拉伸試驗試件斷裂位置相符合。