不同焊丝对6005A铝合金焊接接头组织和性能的影响

2019-12-11姜丕文周金旭林相远

有色金属加工 2019年6期

姜丕文，康铭，邓鑫，周金旭，林相远

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

近年来，环境污染和能源短缺问题日益突出。在充分满足使用要求的前提下，如果能够大量采用铝合金代替钢铁等密度较大的金属材料，可以使构件轻量化[1-2]，因此铝合金得到广泛应用。铝合金材料制造的汽车车身板，要求既具有一定的强度性能，又具有良好的冲压成形性能，还要具有良好的焊接性能、抗腐蚀性能[3]。6005A铝合金属于Al-Mg-Si系可热处理强化型铝合金，具有中等强度、较好的挤压成形性、良好的耐腐蚀和焊接性[4]，6005A铝合金主要用于新能源汽车、城铁客车、铁路客车，尤其是高速动车组的车体制造。铝合金焊接技术主要包括熔化极惰性气体保护焊(MIG)、搅拌摩擦焊、激光焊和激光复合焊等[5]。本文采用MIG焊方法，研究不同4xxx系焊丝材料对6005A-T6铝合金焊接接头的组织和力学性能的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验母材为6005A-T6铝合金挤压板材，尺寸为300 mm×150 mm×6 mm，选用ER4043和ER4047铝合金焊丝，直径为Φ1.2 mm，母材和焊材的化学成分如表1所示。

表1 母材与焊材化学成分(质量分数，%)

1.2 试验方法

焊前将接头加工为单面V型70°坡口，并用气动钢丝刷将铝合金表面打磨出金属光泽，用酒精清除表面油污等杂质。使用福尼斯TPS5000焊机进行MIG对接焊接，保护气体为氩气(纯度不小于99.99%)，焊接两层两道。焊接参数为：打底焊接，焊接电流150A，焊接电压21.1V，焊接速度6.1mm/s，气体流量20L/min～25L/min，电弧特性+2；盖面焊接，焊接电流165A，焊接电压22.3，焊接速度6.7mm/s，气体流量20L/min～25L/min，电弧特性0。

使用蔡司M2m光学显微镜对焊接接头不同位置进行金相观察，使用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机进行横向拉伸试验，加载速率10 mm/min，依据ISO 4136-2001《金属材料焊缝破坏试验横向拉伸试验》要求制备试样，拉伸试样厚度为6 mm，每组测试2个试样，取平均值作为测试结果。使用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机对焊接接头进行正面弯曲和背面弯曲试验，依据ISO 5173-2009《金属材料焊缝破坏性试验弯曲试验》要求制备试样，每组测试2个试样，弯曲试样厚度也为6 mm。使用FV-810型维氏显微硬度计对焊接接头的近上表面进行硬度测试，测试点从母材一侧经过热影响区、焊缝区至焊缝另一侧母材，相邻测点距离为2 mm，如图1所示。

图1 硬度测试尺寸图(mm)Fig.1 Dimension of hardness test (mm)

2 试验结果及分析

2.1 金相组织

图2为两种焊接接头不同区域的微观组织形貌。

(a)(b)(c)ER4043焊丝；(e)(f)(g)ER4047焊丝图2 6005A铝合金焊接接头的显微组织Fig.2 Microstrure of 6005A aluminum alloy welded joint

两种焊接接头焊缝区组织形貌相近，都是典型的铸态组织特征，焊缝区边缘为柱状晶，中心区域为等轴晶，晶界处黑色组织为低熔点共晶物和共晶体，ER4047焊缝区组织较ER4043焊缝区组织更细化；熔合区与热影响区组织相同。分析原因为，ER4047中Si含量约为12%，ER4043中Si含量约为5%，ER4047的Si含量要比ER4043的Si含量高，在焊缝凝固过程中ER4047会形成更多的低熔点共晶物和共晶体，阻碍了晶粒的长大，焊缝区组织就更加细化；而熔合区与热影响区主要受焊接热输入的影响而发生改变，因此无明显差别。

2.2 拉伸性能

按照标准ISO 4136-2001《金属材料焊缝破坏性试验横向拉伸试验》对焊接接头进行拉伸测试。拉伸试验结果如图3所示。

图3 拉伸试样Fig.3 Tensile specimen

其中，母材标准抗拉强度均为270MPa，焊材为ER4043时，抗拉强度203MPa，断裂位置为热影响区，延伸率A50为11.4%，接头系数0.75；焊材为ER4047时，抗拉强度206MPa，断裂位置为热影响区，延伸率A50为12.3%，接头系数0.76。结果表明，ER4043与ER4047焊接接头抗拉强度差别不大，约为205 MPa，断裂位置均在距离熔合线约6 mm处的热影响区，焊接接头系数均大于标准要求的接头系数(0.6)，满足标准ISO 15614-2的要求。分析认为两种焊丝的焊接接头断裂于受热影响区的过时效区，此处受焊接热的影响晶粒发生长大，强化相发生聚集，因此强度较低；两种接头的母材一样，因此强度也无明显差别。

2.3 弯曲性能

按照标准ISO 5173-2009《金属材料焊缝破坏性试验弯曲试验》对焊接接头进行弯曲测试。弯曲试验结果如表2和图4所示。结果表明，ER4043与ER4047的焊接接头弯曲性能良好，弯曲试验合格，满足标准ISO 15614-2的要求。分析认为ER4043与ER4047焊丝属于Al-Si系焊丝具有良好的流动性，且焊后接头都具有较高的延伸率，因此弯曲性能良好。

表2 弯曲试验结果

图4 弯曲试样Fig.4 Bending specimen

2.4 接头硬度

依据标准 ISO 9015-1-2011《金属材料焊缝破坏性试验硬度试验第1部分：弧焊接头的硬度试验》取样并进行硬度测试，测试结果如图5所示。结果表明，两种焊丝焊接接头硬度分布均沿焊缝中心对称分布，硬度最低值出现在距离熔合线约6 mm处的热影响区，热影响区的软化程度相当，在焊缝区ER4047的硬度要高于ER4043的硬度。由于ER4047的成分中Si含量要比ER4043的高，ER4047的焊缝区有更多的单质Si、低熔点共晶物和共晶体，因此ER4047接头的焊缝区硬度更高。