氣孔對不同MIG焊鋁鎂合金焊縫凝固裂紋敏感性的影響

陳 毓, 張?zhí)炖? 于 航, 陳浩欣, 武 雯, 王偉光

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院, 上海 201620)

鋁合金具有耐腐蝕性能好、力學(xué)性能優(yōu)和密度小等特點，鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)車體被廣泛應(yīng)用于鐵路車輛動車組制造業(yè)及城市軌道交通設(shè)備制造業(yè)中[1-2]。近些年隨著高性能數(shù)字處理芯片被用于焊接電源功率的控制中，鋁合金焊接電源的性能顯著提高[3]，鋁合金熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)電源所允許的焊接接頭間隙范圍也逐漸增大[4]。在鋁合金脈沖MIG焊中，帶有脈沖電源的高頻脈沖能擊碎鋁合金表面的氧化膜，進而減少焊縫中的氣孔數(shù)量[5]，如在7A52鋁合金MIG焊中，雙脈沖接頭截面的氣孔密度小于2個·cm-2，而單脈沖接頭截面的氣孔密度達(dá)到60個·cm-2[6]。由于鋁合金焊縫中的氫原子在熔融態(tài)熔池和固態(tài)熔池中的溶解度差異較大，氫氣孔通常難以避免。

此外，MIG焊焊縫凝固裂紋敏感性較高也是影響鋁合金焊縫質(zhì)量的主要原因之一[7-10]。凝固收縮理論認(rèn)為，隨著熔敷金屬溫度降低，焊縫凝固過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不斷增大，橫向拉伸應(yīng)變隨距焊縫中心距離的增大而減小,并在焊縫中心附近有較大的應(yīng)力集中，因此在焊接結(jié)束后，焊縫中心線區(qū)域會立即產(chǎn)生凝固裂紋[11];CONIGLIO N等[12]基于氣孔形核理論提出了一種基于氣孔的裂紋萌生模型，該模型表明，當(dāng)氣孔內(nèi)部壓力遠(yuǎn)大于外部熔融鋁液的壓力時，氣孔會導(dǎo)致該處熔融鋁液塌陷形成微觀熱裂紋。

氣孔和凝固裂紋是鋁合金焊接中常見的缺陷，其中，氣孔常被認(rèn)為與氫原子溶解度有關(guān)，凝固裂紋通常被認(rèn)為僅與焊縫冷卻過程產(chǎn)生的凝固收縮有關(guān)。而鋁鎂合金作為廣泛應(yīng)用于汽車車身零件制造的鋁合金材料，其焊后產(chǎn)生的凝固裂紋會嚴(yán)重降低汽車的使用性能，因此，筆者以5052鋁鎂合金為研究對象，使用魚骨型試板測試了8種焊接工藝下的焊縫凝固裂紋長度，然后結(jié)合焊縫內(nèi)部微觀熱裂紋形貌特征對不同焊接熱輸入(電流)下焊縫的氣孔數(shù)量進行了分析，最后從氣孔形核機理角度分析了氣孔在5052鋁鎂合金焊縫凝固裂紋開裂過程中所起的重要作用，研究了鋁鎂合金MIG焊焊縫內(nèi)部氣孔對凝固裂紋的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

使用φ1.2 mm的ER5356鋁鎂合金焊絲焊接5052鋁鎂合金魚骨型試板，焊絲與試板的化學(xué)成分分別符合GB/T 10858-2008《鋁及鋁合金焊絲》和GB/T 3190-2020《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》的技術(shù)要求，其化學(xué)成分如表1和表2所示。焊接設(shè)備為YD-550FD焊機，焊接保護氣采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%的氬氣，單脈沖MIG焊焊接參數(shù)如表3所示。雙脈沖MIG焊是在單脈沖電流基礎(chǔ)上添加一組比單脈沖焊接電流小60 A的低脈沖電流，此時單脈沖電流成為雙脈沖電流中高脈沖電流，高脈沖電流(單脈沖電流)與低脈沖電流的交換頻率為2 Hz，占空比為0.5。

表1 ER5356鋁鎂合金焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of ER5356 Al-Mg alloy welding wire (mass fraction) %

表2 魚骨型試板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of fishbone test plate (mass fraction) %

表3 單脈沖MIG焊焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding parameters of single pulse MIG welding

1.2 焊縫凝固裂紋敏感性測試

焊縫凝固裂紋敏感性采用魚骨型試板進行測試。魚骨型試板是利用試板上不同長度溝槽形成的不同最大拉應(yīng)力來測試鋁鎂合金的凝固裂紋敏感性，魚骨型試板尺寸示意圖如圖1所示。使用角磨機對試板表面進行打磨，然后將魚骨型試板固定在如圖2所示的夾持裝置中，對試板進行焊接，焊接后將魚骨型試板冷卻至室溫后取出，之后采用滲透探傷法測試焊縫凝固裂紋的長度。焊接時焊接熱源在試板上移動，由于熔池凝固產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使縱向裂紋沿焊縫中心萌生、擴展，隨著焊縫逐漸向縱向溝槽靠近，裂紋會止裂，此時裂紋的總長度便可作為裂紋敏感性的指標(biāo)進行測試與統(tǒng)計[13]。

圖1 魚骨型試板尺寸示意圖Fig.1 Size diagram of fishbone test plate

圖2 魚骨型試板的夾持裝置Fig.2 Clamping device of fishbone test plate

1.3 金相檢驗

采用200，400，800，1 200，2 000目砂紙對焊接后魚骨型試板的焊縫截面進行粗拋，然后使用三酸電解液進行拋光，三酸電解液成分及其含量為9 g CrO3+75 mL H3PO4+15 mL H2SO4+20 m LH2O，電解電壓為24 V，拋光時間為15～30 s，之后采用光學(xué)顯微鏡對不同焊接工藝下的焊縫截面進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接工藝對焊縫凝固裂紋敏感性的影響

圖3為不同焊接工藝下焊縫凝固裂紋長度的測試結(jié)果，可見單脈沖MIG焊和雙脈沖MIG焊焊縫凝固裂紋長度均隨熱輸入的增加而增大。這是由于熱輸入增加會使焊縫晶粒尺寸增大，單位體積內(nèi)的晶界總長度減小，導(dǎo)致焊縫強度降低，晶粒與晶粒之間在相同的拉應(yīng)力下更容易沿晶界開裂形成凝固裂紋。

圖3 不同焊接工藝下的焊縫凝固裂紋長度Fig.3 Weld seam solidification crack lengths under differentwelding processes

降低焊縫單位長度的熱輸入可以降低焊縫凝固裂紋的敏感性，然而在單脈沖電流基礎(chǔ)上添加小電流形成的雙脈沖電流卻使得焊縫凝固裂紋敏感性升高了。

2.2 焊接工藝對焊縫氣孔的影響

不同焊接工藝的單脈沖MIG焊焊縫顯微組織形貌如圖4所示，可見隨著單脈沖電流熱輸入(電流)的增加，焊縫內(nèi)部的氣孔尺寸增大。因為隨熱輸入增加，液態(tài)熔池最高溫度升高，初始?xì)淙芙舛葧龃?，?dǎo)致單脈沖MIG焊焊縫內(nèi)部的氣孔變得越來越大。圖5是不同焊接工藝的雙脈沖電流焊接后焊縫顯微組織形貌，可見采用通過在單脈沖電流基礎(chǔ)上添加低脈沖電流形成的雙脈沖電流進行焊接，其焊縫中氣孔數(shù)量相對比單脈沖電流焊縫的少，這是由于雙脈沖電流可以減少單位焊縫長度的熱量輸入，降低焊縫初始?xì)淙芙舛?，同時雙脈沖電流對液態(tài)熔池具有振蕩作用，使得形成的氫氣更充分地逸出熔池，進而減少焊縫內(nèi)部氣孔的數(shù)量。

圖4 不同焊接工藝的單脈沖MIG焊焊縫顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of weld seam of single pulseMIG welding with different welding processes:a) welding current 130 A; b) welding current 160 A;c) welding current 190 A; d) welding current 220 A

圖5 不同焊接工藝的雙脈沖MIG焊焊縫顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of weld seam of double pulseMIG welding with different welding processes:a) welding current 130 A; b) welding current 160 A;c) welding current 190 A; d) welding current 220 A

2.3 氣孔與凝固裂紋的關(guān)系

從圖4a)可以明顯地看到微觀熱裂紋伴隨著氣孔，圖5a)可以看到氣孔聚集形成微觀熱裂紋，該兩種現(xiàn)象均表明凝固裂紋與氣孔有一定關(guān)系，因此基于氣孔形核理論，結(jié)合焊縫內(nèi)部的氣孔形貌，對氣孔與凝固裂紋之間的關(guān)系進一步分析。由于微觀熱裂紋是具有曲率或錐度的溝槽，氣孔形核所需的形核功小于平坦界面溝槽的[14]，因此裂紋尖端優(yōu)先形成氣孔并長大，然后裂紋中間位置出現(xiàn)氣孔，最后晶體平面出現(xiàn)氣孔。圖4a)中明顯可見氣孔產(chǎn)生于裂紋尖端，圖5c)和圖5d)中可見裂紋尖端和裂紋中部也分布有氣孔，因此判斷焊縫微觀熱裂紋促進了氣孔的產(chǎn)生，導(dǎo)致焊縫中氣孔數(shù)量的增加。

雙脈沖MIG焊的振蕩作用使氣孔具有聚集到微觀熱裂紋附近的效果，氣孔長大使裂紋邊緣由平直線變?yōu)槿鐖D5d)中的不同曲率的弧線，此時由于氣孔不停聚集，使氣孔內(nèi)部氣壓大于外部，液態(tài)低熔點共晶化合物無法流入枝晶間隙，枝晶間隙持續(xù)受到凝固收縮引起的拉應(yīng)力作用，從而導(dǎo)致雙脈沖MIG焊焊縫凝固裂紋敏感性大于單脈沖MIG焊的。

3 結(jié)論

(1) 5052鋁鎂合金脈沖MIG焊接時，隨單脈沖電流的增加，焊縫凝固裂紋敏感性增大，焊縫區(qū)氣孔數(shù)量由于初始?xì)淙芙舛仍龃蠖龆?；雙脈沖MIG焊增加了焊縫凝固裂紋敏感性，但焊縫區(qū)的氣孔數(shù)量比單脈沖焊的少。

(2) 雙脈沖MIG焊焊縫凝固裂紋敏感性比單脈沖MIG焊的大，是因為雙脈沖電流的振蕩作用使氣孔更容易移動，使得氣孔在微觀熱裂紋處優(yōu)先形核和聚集，當(dāng)微觀熱裂紋處的氣孔不能釋放和溢出時，將會導(dǎo)致此處氣孔內(nèi)部氣壓增大并阻止液態(tài)低熔點共晶化合物填充微觀熱裂紋，導(dǎo)致焊縫凝固裂紋敏感性增大。