焊接參數對6082 T6鋁合金型材焊接后性能的影響

摘 要：為研究常見鋁合金型材熔化焊接后實際力學性能情況，本文以2mm 6082T6鋁合金擠壓板材為實驗對象，以對接焊接的方式進行焊接實驗，重點開展了焊接方式、焊絲成分及CMT單雙脈沖模式對焊后型材力學性能的影響試驗。實驗采用TIG、MIG、CMT等生產過程普遍應用的焊接方式及6xxx鋁合金常用焊絲（4043和5356）作為工藝實驗參數，借助數控銑床進行拉伸試樣制作，隨后在萬能拉力實驗機對焊接后材料力學性能進行表征。結果表明：保持焊接電流和焊絲合金成分等不變的情況下，不同焊接方式下拉伸后樣品均在焊縫位置斷裂，TIG、MIG焊接屈服強度和抗拉強度高于CMT焊接后強度，但TIG和MIG更容易產生氣孔等缺陷。保持CMT焊接方式和焊接參數一致的情況下，5356合金焊絲焊接后合金強度略高于4043合金焊絲焊接后樣品，但焊接后5356焊絲延伸率明顯低于4043焊接后樣品。最后，保證其他參數不變的情況下，CMT單脈沖和雙脈沖模式對焊接后合金性能影響不明顯。

關鍵詞：6082鋁合金；CMT；MIG；力學性能

中圖分類號：TG407

AlMgSi合金具有密度低、比強度高、成型性優(yōu)良、耐蝕性好、焊接性能優(yōu)良、易于拋光以及表面著色性能優(yōu)良等特點，被廣泛應用于軌道交通、汽車、船舶、電纜、建筑及裝飾領域得到廣泛應用。近年來，隨著新能源汽車領域的快速發(fā)展，鋁合金應用得到進一步拓展。新能源汽車用鋁合金型材主要為電池托盤、左右門檻梁、前后防撞梁、天窗導軌及行李架等部件，其中電池托盤重量占比最大。目前，新能源汽車用電池托盤主要以型材+焊接拼框方式為主。

AlMgSi合金屬于可熱處理性鋁合金，對于可熱處理鋁合金而言，焊接過程中熱影響區(qū)中原有納米析出等第二相會失效，使得該區(qū)域及其附近材料發(fā)生軟化，嚴重影響焊接接頭處力學性能，為降低焊接后熱影響區(qū)域的軟化效果，焊接技術也在相應發(fā)展。其中冷金屬過渡焊創(chuàng)造性將焊絲運動和熔滴過渡相結合，通過精確控制能量輸入，實現(xiàn)無電流狀態(tài)下的熔滴過渡，現(xiàn)已被廣泛應用于鋁合金焊接領域。

截至目前，汽車用鋁合金根據其焊接特點進行焊接方式選擇，使用最廣泛的焊接主要為熔化極惰性氣體保護焊（MIG）、鎢極惰性氣體保護焊（TIG）和冷金屬過渡焊（CMT）。CMT焊接與傳統(tǒng)的MIG/MAG釬焊相比，熱輸入量更小，可有效減少變形，尤其適用于薄板焊接。此外，焊接后熱影響區(qū)的軟件效果還與焊絲選擇有關，焊絲選擇應優(yōu)先選擇與母材成分相同或相近的牌號，這樣可以確保焊縫與母材之間的力學性能和耐蝕性相匹配，從而獲得更好的焊接質量。而AlMgSi可選擇4xxx和5xxx焊絲進行焊接，不同焊絲焊接后其性能也需進行相關驗證。所以探究焊接方式及焊絲成分的選擇對焊接后合金性能有著至關重要的作用。

本文以南南鋁業(yè)股份有限公司自產2mm壁厚6082T6鋁合金擠壓板材為研究對象，重點研究了不同焊接方式及焊絲成分對薄板焊接后合金性能的影響，為后續(xù)產業(yè)化應用焊接方式和焊絲的選擇提供數據支撐。

1 實驗材料及方法

實驗材料為本公司生產的6082T6鋁合金擠壓板材，板材經熔煉、鑄造、均勻化熱處理后在1400T機上擠壓成型，擠壓產品外形尺寸為2mm×140mm，擠壓比為55。擠壓完成后經切頭尾后入爐進行170℃/10h處理，處理后產品鋸切為150mm進行焊接實驗。

試驗焊接時采用氬氣作為保護氣體以防止金屬熔滴、熔池金屬與空氣中的氧氣或其他雜質發(fā)生反應，從而產生夾雜影響焊縫質量。焊絲分別選擇AlMgSi鋁合金焊接常用的4043和5356焊絲，焊絲直徑均選擇為1.2mm，實驗用鋁合金擠壓材料及焊絲成分分別見表1所示。實驗采用不開坡口對接方式進行焊接，焊接前采用鋼刷將鋁合金板材表面進行打磨氧化表層，減少焊接缺陷產生概率。實驗采用Fronius CMT 5000焊機及TIG焊機，送絲速度和焊接速度分別為4.3m/min和0.4m/min，其余試驗焊接參數及焊絲選擇詳情見表2。

焊接實驗完成后樣品在CNC上根據GB/T 2651—2008焊接接頭拉伸實驗方法進行制樣拉伸樣取樣，拉伸樣形狀尺寸如圖1所示，制樣完成后在MTS 45.305微機控制電子式萬能拉力試驗機上進行拉伸性能測試，測試數據進行記錄處理。

圖1 拉伸樣尺寸示意圖

2 實驗結果與分析結果

2.1 焊接方式對焊后性能的影響

不同焊接方式下鋁合金拉伸后斷裂試樣及斷口情況如圖2、圖3所示，可以看出均在焊縫位置斷裂，其力學性能見表3。相同焊接參數條件下，采用TIG與MIG焊接后其力學性能相差不大，抗拉強度均為180MPa左右，而CMT焊接后其抗拉強度最低，為166MPa。CMT延伸率與MIG焊接相當，延伸率在4左右，但TIG焊接延伸率僅為1.8。從拉伸后斷裂位置斷口截面（見圖3）可以看出TIG焊接后焊縫位置存在明顯的孔洞，而MIG焊接后存在微小氣孔，CMT焊接后基本無明顯孔洞。

TIG焊接熱輸入量大，母材熔深更大，焊接完成后在熔池降溫過程中，由于鋁合金為良好導熱體，在焊接熔化過程中仍存在部分熔體卷氣，雖然產生的氣泡數量不多，但仍存在過熱熔池冷卻時來不及逸出氣體，從而形成皮下氣孔。這些氣孔在拉伸過程中優(yōu)先成為裂紋源，使得產品延伸率下降明顯。而MIG和CMT焊接熱輸入量較小，焊縫熔深較TIG更小，不易產生氣孔缺陷。所以TIG焊接后其強度較高，但由于氣孔存在造成其延伸率明顯低于CMT和MIG。CMT焊接后性能較差主要源于熱輸入量小，Mg燒損較MIG和TIG焊接更少，但由于焊接時焊縫熱量較少，相同環(huán)境下試樣冷卻速率較快，熔池Mg2Si析出較少，使得焊縫強度有所下降，但其延伸率相對有所提升。

2.2 焊絲成分對焊后性能的影響

6xxx鋁合金焊接常使用4043和5356焊絲，為探究不同焊絲合金牌號對焊接后性能的影響，采用相同CMT焊接參數進行焊接實驗，焊接后產品力學性能見表4。經5356焊絲焊接后力學性能中抗拉強度突破200MPa，超過4043合金焊絲10MPa，但5356焊接后延伸率較4043焊絲下降明顯。由圖4中焊接后斷口可以看出不同焊絲斷口位置均未出現(xiàn)明顯焊接缺陷，5356焊接后斷口較為平整，屬于混合斷裂，而4043斷口呈45°斷裂，斷口塑性變化明顯，為典型韌性斷裂。

4043焊絲在焊接過程中，外界熱出入基體發(fā)生熔化，使得基體中Mg元素受熱燒損，造成焊縫熔池中Mg含量下降，在后續(xù)凝固冷卻過程中強化析出相密度及數量下降。而5356焊絲具有較高Mg含量，在熔化過后雖有燒損，但焊縫處Mg含量仍遠超基體中應有Mg含量。從而造成Mg含量過剩，Mg2Si在冷卻過程中析出相密度增加，所以其強度有所增加；但Mg含量過多，Mg2Si尺寸增加，其延伸率明顯下降。

2.3 CMT單雙脈沖對焊后性能的影響

為探究CMT不同模式下焊接對產品性能的影響，特針對單雙脈沖進行驗證，CMT單雙脈沖焊接后力學性能如表5所示，可以看出雙脈沖焊接后樣品強度略高于單脈沖，而延伸率上單脈沖略高于雙脈沖樣品，但兩者相差不明顯。因此，從大批量生產制造管控來說，單雙脈沖對合金綜合力學性能的影響較小。

3 結論

本文以公司自產2mm壁厚6082T6鋁合金板材為實驗對象，通過研究不同焊接方式（TIG、MIG、CMT）、焊絲成分（4043和5356）及單雙脈沖對焊接后合金性能的影響，得到如下結論。

（1）在焊接電流和焊絲成分等相同焊接參數相同情況下焊接，不同焊接仿石材其抗拉強度由高到低順序為TIG、MIG和CMT，而延伸率由高到低則為CMT、MIGH和TIG。

（2）在相同CMT焊接參數的條件下，5356焊絲焊接后合金強度略高于4043焊接后樣品，但5356焊接后延伸率明顯低于4043焊接后樣品。

（3）CMT焊接時選擇單雙脈沖進行焊接，產品焊接后力學性能相差不大，在量產過程中可不作為重要參數進行關注。

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基金項目：南寧市“邕江計劃”青年人才專項（項目編號：RC20240204）；南寧市科學研究與技術開發(fā)計劃（項目編號：20241024）

作者簡介：唐丹（1987— ），女，壯族，廣西南寧人，本科，中級工程師，研究方向：材料工程。

*通信作者：徐光帥（1985— ），男，漢族，碩士研究生，高級工程師，研究方向：鋁合金材料及輕量化結構設計與開發(fā)。