異種鋁合金MIG焊工藝研究

張志云，仝偉

異種鋁合金MIG焊工藝研究

張志云，仝偉

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130001）

研究汽車用鑄鋁和鋁型材MIG焊接頭質(zhì)量特性。對鑄鋁AlSi10MnMg和鋁型材6005A-T6進(jìn)行MIG搭接焊，探討焊接速度對焊縫成形的影響規(guī)律，研究接頭的顯微組織。其他焊接參數(shù)相同，焊接速度為4 mm/s時，易導(dǎo)致壓鑄鋁合金產(chǎn)生氫氣孔。MIG搭接焊接接頭型材和鑄材的熔合區(qū)晶界均有不同程度的粗化，鑄材晶界處析出大量低熔點(diǎn)Mg2Si脆性共晶組織，弱化接頭硬度值。在焊接電流為120 A、焊接電壓為25 V、焊接速度為6 mm/s、送絲速度為9 m/min、氣體流量為21 L/min情況下，可以獲得焊縫成形美觀的MIG焊接頭質(zhì)量，滿足車身強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和使用要求。

汽車；鑄鋁；鋁型材；MIG焊；顯微組織

隨著汽車制造業(yè)對節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，對車身制造材料輕量化的使用提出了更高要求，汽車用鋁合金，尤其是壓鑄鋁合金得到了快速發(fā)展。AlSi10MnMg壓鑄鋁合金因其高強(qiáng)韌、高致密度、易加工成形、良好的傳熱導(dǎo)電性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車安全構(gòu)件中應(yīng)用十分廣泛[1—3]。壓鑄鋁合金在使用中，需要與其他零件進(jìn)行焊接，其焊接裂紋、氣孔對構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度和安全性影響較大[4]。MIG焊采用惰性氣體保護(hù)焊接熔池，具有高效、接頭力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)，適用于裂紋敏感性較強(qiáng)的鋁合金的焊接[5—8]。目前，用MIG焊接的鋁合金主要集中在6000系列的鋁合金型材[9—12]。對于壓鑄鋁合金和鋁型材的MIG焊，只有少量的研究報導(dǎo)，研究重點(diǎn)集中在接頭的微觀組織和力學(xué)性能分析上[13—14]。文中對AlSi10MnMg鑄鋁與6005A-T6鋁型材進(jìn)行了MIG搭接焊，對接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析，優(yōu)化MIG焊接參數(shù)，為這種材料的焊接提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)

材料為2 mm厚的AlSi10MnMg鑄鋁與3 mm厚6005A-T6鋁型材，焊絲材料為AlSi5-4043，直徑為1.2 mm，主要成分如表1所示。

表1 母材及焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Chemical composition of base metal and welding consumables (mass fraction) %

將板材加工成尺寸為260 mm×75 mm的焊接試板，采用TPS 320i Fronius焊機(jī)對其進(jìn)行搭接焊接。采用的焊接參數(shù)為：焊接電流為120 A，焊接電壓為25 V，焊接速度為4~6 mm/s，送絲速度為9 m/min，氣體流量為21 L/min。研究焊接參數(shù)對焊縫成形和性能的影響。

利用線切割機(jī)沿垂直于焊接方向?qū)⒔宇^切割成金相分析試樣。金相分析試樣采用Struers Tegramin-30自動磨拋機(jī)進(jìn)行拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為5%的NaOH試劑腐蝕，在Zeiss AXIO光學(xué)顯微鏡下觀察。采用LM300 AT數(shù)顯顯微硬度計(jì)，按照GB/T 4340.1—2009對試樣接頭硬度分布進(jìn)行測量，加載載荷為0.3 kg，加載時間為10 s，步距為1 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀形貌

采用不同焊接工藝參數(shù)進(jìn)行搭接焊試驗(yàn)，焊接試驗(yàn)后對焊縫進(jìn)行目視檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1a可見，當(dāng)焊接速度為4 mm/s時，焊接接頭外觀出現(xiàn)氣孔缺陷，且主要偏向壓鑄鋁一側(cè)。研究表明，鋁合金在焊接時的氣孔主要是氫氣孔[13]。這是由于其他焊接參數(shù)相同情況下，焊接速度越低，越利于增大熔深，但隨著熔深增大，壓鑄鋁一側(cè)母材在高溫下熔化增多，而氫的溶解度隨溫度升高而增大[14]，熔池短時間內(nèi)匯聚大量的氫，當(dāng)電弧移動時，熔池溫度驟降，氫的溶解度隨溫度下降而驟減，且因鋁的結(jié)晶速度較快，大量的氫形成的氣泡上浮速度慢，導(dǎo)致氫氣泡未來得及溢出，在焊縫內(nèi)部形成氫氣孔，影響焊縫強(qiáng)度，嚴(yán)重時，氣孔甚至外露至焊縫外觀。當(dāng)采用6 mm/s的焊接速度時，在保證熔深的情況下，減少了焊縫中氫的溶解，可以獲得外觀質(zhì)量較好的焊接接頭。

a 焊接速度4 mm/s

b 焊接速度6 mm/s

圖1 MIG焊接頭宏觀形貌

Fig.1 Macro appearance of MIG joint

2.2 接頭顯微組織分析

圖2所示為異種鋁合金MIG焊接接頭截面的10倍顯微照片，可以看出，接頭由型材和鑄材的焊核區(qū)、熔合區(qū)、母材區(qū)組成。

圖2 MIG焊接接頭截面

焊接速度為6 mm/s時焊接接頭各個區(qū)域的顯微組織見圖3。由圖3a可以看出，型材母材的微觀組織致密，強(qiáng)化相粒子彌散分布。圖3b顯示，熔合區(qū)因受焊接熱輸入的熱影響作用，加上材料本身良好的導(dǎo)熱性能，型材基體一側(cè)的熱影響區(qū)仍主要為母材特征，但晶粒略比母材粗大，由于偏析等原因，晶界處有強(qiáng)化粒子析出，彌散分布了大小不等的第二相[15—16]。熔合區(qū)靠近焊縫一側(cè)的組織則以柱狀晶結(jié)構(gòu)垂直于界面自然生長。圖3c中焊縫區(qū)的組織由于熱輸入較高，熔池凝固速度慢，導(dǎo)致晶粒完全自由生長成以-Al固溶體為基體的等軸晶組織，晶界分布有-Al+Mg的共晶組織[17]。

由圖3d可看出，鑄材母材的微觀組織較型材區(qū)別較大，基體主要是-Al及彌散分布的強(qiáng)化相Si粒子，但粒子大小及分布部位并不均勻，甚至有部分黑色疏松。圖3e顯示，熔合區(qū)靠近母材一側(cè)（右下方）的組織基本保持-Al原始形貌，但晶界處析出大量低熔點(diǎn)Mg2Si脆性共晶組織[18—19]，這是由于焊接熱輸入使晶界熔化而基體未熔化。熔合區(qū)靠近焊縫一側(cè)（左上方）的組織則是在焊接熱循環(huán)作用下，重新生長出沿散熱方向以聯(lián)生結(jié)晶形式形成的柱狀晶組織，但并未產(chǎn)生液化裂紋，充分驗(yàn)證了Al-Si合金較低的裂紋敏感性。由圖3f可見，焊縫區(qū)熔池重新凝固后，形成組織更為細(xì)小的無特定取向的等軸枝晶。

圖3 異種鋁合金MIG焊接頭微觀組織

2.3 接頭顯微硬度分析

圖4所示為不同焊接參數(shù)下焊接接頭顯微硬度的分布情況，打點(diǎn)順序從左至右依次為鑄材→熔合區(qū)→焊縫→熔合區(qū)→型材。由圖4可見，MIG焊縫接頭硬度分布表現(xiàn)類似于旋轉(zhuǎn)的“W”型，接頭硬度最大值為72.6HV，位于型材母材區(qū)。接頭硬度在兩個熔合區(qū)附近出現(xiàn)了衰減，型材熔合區(qū)硬度值略有衰減，為64.4HV，鑄材熔合區(qū)硬度值最低，僅為57.6HV，這是由于此處為熱影響區(qū)過時效區(qū)，受焊接熱循環(huán)作用，硬度和力學(xué)性能大幅降低。從顯微組織上也可分析得出，鑄材熔合區(qū)晶界粗化明顯，且該處分布有大量Mg2Si脆性共晶組織，尤其是長條形共晶組織，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重割裂材料的連續(xù)性，導(dǎo)致接頭硬度偏低。

圖4 焊縫處顯微硬度分布

3 結(jié)論

1）當(dāng)其他焊接參數(shù)相同情況下，低焊接速度有利于增大熔深，但易導(dǎo)致壓鑄鋁合金產(chǎn)生氫氣孔。

2）MIG搭接焊接頭焊縫區(qū)為等軸柱狀枝晶組織，型材和鑄材的熔合區(qū)受焊接熱循環(huán)作用，晶界均有不同程度粗化，型材晶界處析出大小不等的強(qiáng)化相，鑄材晶界處析出大量低熔點(diǎn)Mg2Si脆性共晶組織。

3）MIG搭接焊接頭硬度分布表現(xiàn)類似于旋轉(zhuǎn)的“W”型。接頭硬度值在鑄材熔合區(qū)最低，僅為57.6HV，受熱影響區(qū)Mg2Si脆性共晶組織影響，硬度降低。

4）在焊接電流為120 A、焊接電壓為25 V、焊接速度為6 mm/s、送絲速度為9 m/min、氣體流量為21 L/min情況下，可以獲得焊縫成形美觀的MIG焊接頭。

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MIG Welding Process of Heterogeneous Aluminum Alloys

ZHANG Zhi-yun, TONG Wei

(FAW-VW Automobile Co., Ltd., Changchun 130001, China)

The work aims to study the quality character of MIG welding of car-used die-casting aluminum alloy and aluminum alloy profile. MIG lap welding was conducted on die-casting aluminum alloy (AlSi10MnMg) and aluminum alloy profile-6005A. The influence rule of welding speed on formation of welding joint was discussed. Microstructure of the joints was investigated. Low welding speed of 4 mm/s was likely to lead to the production of hydrogen holes in die-cast aluminum alloys when other welding parameters were the same. The crystal boundaries in the fusion area of MIG welding joint in profile and casting material were roughed to varying degrees, and a large number of low-melting-point Mg2Si phase was delineated at the casting crystal boundaries, weakening the hardness value of the joint. With reasonable process parameters (welding current: 120 A, welding voltage: 25 V, welding speed: 6 mm/s, feeding speed: 9 m/min, gas flow: 21 L/min), the quality of the MIG welding joint could be obtained, which meets the design and use requirements of body strength.

car; die casting aluminum; aluminum alloy profile; MIG welding; microstructure

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.02.020

TG457.14

A

1674-6457(2021)02-0121-04

2020-09-25

張志云（1987—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹附榆嚿礓X合金焊接工藝。

仝偉（1987—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚠a(chǎn)品工藝培訓(xùn)。