6082鋁合金中厚板高頻脈沖MIG對接焊工藝及接頭的殘余應力

張亞，戴忠晨，李東風，曲宗慶，劉宇陽，王文超，丁成鋼，馮寒

1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031

2.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028

3.鞍鋼集團，遼寧 鞍山 114011

0 前言

6082高強鋁合金由于具有比強度較高、優良的抗腐蝕以及良好的焊接性，被廣泛地應用于軌道交通裝備的焊接制造，可以實現結構制造輕量化的目的。相對于其他鋼鐵材料，鋁合金具有較特殊的理化性能，如熔融溫度較低，熱膨脹系數、導熱系數較大，這對鋁合金的焊接，尤其是電弧熔化焊帶來了難題［1］。首先，當鋁合金進行焊接時，由于其獨特的物理、化學特性，將會產生一系列的焊接缺陷。其中，氣孔是鋁合金最常見的焊接缺陷，氣孔缺陷會降低接頭的有效承載能力及疲勞性能，對接頭的力學性能影響較大［2-3］。其次，鋁合金接頭較大的焊接殘余應力，會增加焊接熱裂紋的敏感性及降低工件后續加工的尺寸穩定性［4-7］。

目前，鋁合金城軌車體“牽枕緩”及“底架”中厚板部件采用常規脈沖MIG焊工藝方法進行焊接制造，在焊接制造過程中，存在諸多問題：（1）焊接填充量較大，生產效率較低；（2）焊接殘余應力較大；（3）焊接未熔合及氣孔缺陷較為敏感；（4）接頭的失強（軟化效應）較為突出。這嚴重制約了高強鋁合金在軌道交通裝備制造行業中的使用。

與常規脈沖MIG焊相比，高頻脈沖MIG焊在相近的焊接線能量（熱輸入）下，可獲得更大的脈沖電弧能量密度，具有明顯的優勢［8-9］：（1）“一脈一滴”的高頻、高速熔滴過渡特點，使焊接速度更快，與常規脈沖MIG焊相比，焊接可提高約30%～40%；（2）弧柱收窄，具有壓縮電弧特性，增加了焊接熔深及電弧的穿透力；（3）熔池金屬在周期性變化的力的作用下得到了充分的振蕩、沖擊和攪拌，焊接氣孔的敏感性得以有效的降低；（4）基本無焊接飛濺。

正是在這種背景下，為解決軌道交通裝備鋁合金結構焊接制造中存在的問題，本文采用高頻脈沖MIG焊新工藝方法，進行了8 mm厚6082-T6鋁合金板對接焊工藝試驗，并對接頭的焊接殘余應力進行了測試、分析，為焊接新工藝在地鐵鋁合金焊接制造中工程化的應用提供研究依據。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗母材及焊接材料

母材選用350 mm×150 mm×8 mm的6082-T6鋁合金板，焊材選用1.2 mm規格的ER5356焊絲，焊接保護氣體采用EN ISO14175 I1型氣體（100%Ar，純度99.999%）。母材、熔敷金屬的化學成分如表1所示，其力學性能如表2所示。

表1 6082-T6母材、ER5356熔敷金屬主要化學成分（質量分數，%）Table 1 6082-T6，ER5356 main chemical components （wt.%）

表2 6082-T6鋁合金母材及ER5356熔敷金屬的力學性能Table 2 Mechanical properties of 6082-T6 aluminum alloy and ER5356

1.2 焊接工藝試驗

選用全數字化IGBT逆變式高頻脈沖MIG焊機和常規脈沖MIG焊機，進行對接試板的焊接，焊接試板的尺寸為350 mm×300 mm×8 mm，擬定的焊接工藝參數如表3所示，焊接接頭示意如圖1所示。

圖1 接頭示意Fig.1 Joint condition sketch map

表3 擬定的焊接工藝參數Table 3 Proposed welding process parameters

1.3 接頭的宏觀形貌/焊縫成形分析

參照EN ISO 17639：2022《焊接接頭的宏觀和顯微檢驗》標準的規定［10］，截取接頭的橫向試樣，用平板掃描儀，對4種工況接頭的宏觀形貌進行掃描、觀察和分析，對比焊縫成形的宏觀形貌、根部的坡口面熔深以及焊接氣孔缺陷形成的敏感性。

1.4 焊接接頭殘余應力的測試

使用KJS-3壓痕應力應變測試儀（見圖2a），參照GB/T 24179—2023《金屬材料殘余應力測定壓痕應變法》標準的規定［11］，對接頭焊趾處的殘余應力進行測試，殘余應力布點示意見圖2b，分別在焊縫的的起弧、中間和收弧區進行測試；測試結果中的σx為縱向殘余應力，σy為橫向殘余應力。

圖2 焊接接頭殘余應力的測試Fig.2 Rresidual stress test of welded joints

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭的宏觀形貌/焊縫成形

G601、O601、G501和O501工況的接頭宏觀形貌如圖3所示，焊縫成形數據如表4所示。

圖3 焊接接頭的宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of welded joints

表4 焊縫成形數據Table 4 Weld forming data

不難發現，與常規脈沖MIG焊接頭相比，高頻脈沖MIG焊接頭的成形質量較好，表現為以下兩個方面：（1）成形系數Φ、余高系數ψ較大。坡口角度為50°時，Φ高出約14%，ψ高出約24%；60°坡口時，Φ高出約4%，ψ高出約26%，Φ、ψ值越大，表明蓋面的熔寬越大、蓋面焊縫與母材金屬間的過渡逾加平滑；（2）根部熔寬（坡口面熔深）較大。坡口角度為50°時，BR值高出約20%，60°坡口時，BR值高出約16%。

值得注意的是，對于G501、O501工況，在其接頭條件（板厚、坡口形狀和角度以及焊接間隙和鈍邊尺寸）相同，焊接熱輸入亦相同（10.7 kJ/cm）的狀況下，與O501工況相比，G501工況的根部熔寬（坡口面熔深）BR值增加約20%，由此可見，高頻脈沖MIG焊可顯著增加高強鋁合金的焊接熔深，可實現地鐵6082鋁合金中厚板的深熔焊。

與常規脈沖MIG焊相比（見圖4a），高頻脈沖MIG焊鋁合金焊接氣孔的敏感性明顯降低，氣孔數量較少（見圖4b），而常規脈沖MIG焊焊縫氣孔數量較多，且多集中在第二層（蓋面）。這是由于高頻脈沖電弧具有較高的頻率（200～250 Hz），對焊接熔池具有較強烈的攪拌作用，這使液態金屬內形成的氣泡得以排除，從而使氣孔的敏感性顯著降低［12］。

圖4 鋁合金MIG焊接頭氣孔敏感性對比Fig.4 Comparison of aluminum alloy welding pores with different welding process methods

2.2 焊接接頭殘余應力結果與分析

接頭焊后焊趾處的焊接殘余應力測試結果見表5。可以發現：（1）坡口角度相同時，高頻脈沖MIG焊的殘余應力值較低。坡口角度為60°時，與常規脈沖MIG相比，橫向殘余應力σy均值下降約18.5%，縱向殘余應力σx值下降約8.3%；坡口角度為50°，橫向殘余應力σy均值下降約15%，縱向殘余應力σx值下降約7%；（2）即坡口角度減小時，焊接殘余應力值降低。與60°坡口角度相比，無論高頻脈沖MIG焊還是常規脈沖MIG焊，選用50°坡口角度，焊趾處殘余應力均值降低約為6%～7%。

表5 對接接頭焊趾處殘余應力值Table 5 Residual stress value at weld toe of butt joint

值得注意的是，對于G501、O501工況，在相同的焊接熱輸入狀況下（10.7 kJ/cm），高頻脈沖MIG焊接頭的焊接殘余應力降低較為明顯，σy均值下降約15%，σx值下降約7%。這是由于高頻脈沖MIG焊電弧較為集中，呈壓縮電弧形態，焊接熱循環的溫度峰值較低，作用的尺寸范圍較小的原因，這已被筆者的相關試驗研究工作所證實［9］。

3 結論

（1）與常規脈沖MIG焊接頭相比，高頻脈沖MIG焊接頭的焊縫成形質量較好，成形系數Φ、余高系數ψ較高，蓋面焊縫與母材金屬間的過渡較為平滑；坡口角度無論為50°還是60°，6082-T6鋁合金板厚8 mm的對接接頭，焊縫層間、焊縫金屬與母材金屬間均實現了良好的熔合。

（2）與常規脈沖MIG焊相比，高頻脈沖MIG焊根部熔深較大。坡口角度為50°時，在相同的熱輸入（10.7 kJ/cm）條件下，根部熔寬增加約20%，坡口角度60°，根部熔寬增加約16%。

（3）與常規脈沖MIG焊接頭相比，高頻脈沖MIG焊的焊縫氣孔敏感性較小。

（4）與常規脈沖MIG焊相比，高頻脈沖MIG焊的殘余應力值較小。坡口角度為60°時，焊趾處的橫向殘余應力σy值降低約為18.5%，縱向殘余應力σx值下降約為8.3%；坡口角度為50°，在相同的熱輸入時（10.7 kJ/cm），橫向殘余應力σy值降低約為18%，縱向殘余應力σx值下降約為7%；坡口角度由60°減小為50°，高頻脈沖焊焊趾處的殘余應力值下降約為6%。