不同焊丝对6061铝合金MIG焊缝组织和性能的影响

2021-06-08冉启洪冉令坤邢晓燕

轻合金加工技术 2021年12期

冉启洪，李佳，许红，张雷，冉令坤，邢晓燕

(重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400020)

作为电池组的载体，电池包起着保护电池组安全的关键作用。传统电池包的材料多为钢材，电池包的轻量化作为电动车轻量化中的重要一环，CHEN、汪佳龙等[1-5]对电池包下箱体从材料层面进行了轻量化方面的研究。

以某电池包为研究对象，其总体模型如图1所示。由图1可见，电池包由上箱体、下箱体、底板加强板和支架四部分组成。将电池包Q235钢材料替换为6061铝合金后(图1中下箱体与支架为6061铝型材，其余为铝合金板材)，电池包的重量减少了34.2 kg，减重比例达到36%。研制铝合金轻量化电池包的关键是保证电池包内各铝合金组件间的焊接质量。本试验采用熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)对6061铝合金电池包进行焊接，探讨不同焊丝对焊缝组织和性能的影响。

图1 某电池包总体模型Fig.1 The 3D model of a battery pack

1 试验方法

轻量化铝合金电池包材料为6061铝合金。采用熔化极惰性气体保护焊进行焊接，焊丝选用4043、5356、6061和6101四种铝合金焊丝，其化学成分如表1所示。

表1 母材及四种铝合金焊丝化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical compositions of the base metal and four kinds of aluminum alloy welding wires(wt/%)

1.1 拉伸试验

拉伸试验包括铝合金板材拉伸试验与焊接试样拉伸试验。板材拉伸试验所用铝合金板材厚度为3.0 mm，按照GB/T 228-2010标准在CMT5305拉伸试验机上进行试验。在焊接试样拉伸试验中，分别对采用4043、5356、6061、6101铝合金焊丝的焊接试样进行拉伸测试。

1.2 焊缝、热影响区以及母材的硬度测试

焊接接头微区力学性能无法通过拉伸试验测量，因此本研究采用测量接头处维氏硬度(HV0.5)的分布来反映接头的力学性能。为避免接头位置的组织突变导致硬度波动，在同一区域测量3次取其平均值。

1.3 焊接接头的金相组织观察

本次研究中，利用低倍显微镜首先对采用4043、5356、6061、6101铝合金焊丝焊接接头关键部位金相组织进行观察，其次对焊接区、焊缝区以及热影响区的金相组织进行观测，最后将放大倍数从100倍变为200倍，对采用5356铝合金焊丝的铝合金焊接接头的金相组织进行更细致的观测。

1.4 焊接试样腐蚀测试

为研究腐蚀对铝合金焊接试样的影响，对采用4043、5356、6061、6101铝合金焊丝焊接的试样进行腐蚀，腐蚀介质为酸性盐雾介质，其配方为在5%(质量分数)氯化钠溶液中加入一些冰醋酸，调整介质浓度直至溶液的pH值为3左右，腐蚀时间分别为12 h、24 h、96 h、168 h，并记录合金焊接试样在不同时间腐蚀后的宏观形貌。

1.5 焊接试样疲劳试验

为满足电池包壳体开发对铝合金材料耐久性能的要求，在上述焊缝准静态拉伸测试结果基础上，择优选择最佳焊丝焊接样品，进一步进行焊缝疲劳性能试验。疲劳试验按照GB/T 26957-2011标准进行，使用的设备为PLG200高频疲劳试验机。焊缝疲劳试样如图2所示。

图2 铝合金搭接焊件试样Fig.2 The lap joint sample of aluminum alloy

随后利用PLG200高频疲劳试验机对铝合金搭接焊件进行轴向力控制的疲劳试验，获得不同最大应力水平下的疲劳寿命，并拟合出S-N曲线。试验全程采用计算机实时监控，疲劳周次由计算机自动记录，疲劳加载模式为拉-拉加载，试验加载谱为正弦波，载荷比R=0.1，疲劳失效判据为试样开始出现疲劳裂纹。

2 结果与分析

2.1 拉伸试验结果与分析

所选6061铝合金在0°、45°、90°的拉伸真应力-真应变曲线如图3。由图3可见，屈服强度约为254.27 N/mm2，抗拉强度约为305.12 N/mm2，断后伸长率约为15.76%，具有较高的强度和较好的塑性，因此适用于轻量化铝合金电池包的开发。

图3 6061铝合金材料的拉伸真应力-真应变曲线Fig.3 True stress-strain curves of 6061aluminum alloy

使用4043、5356、6061、6101铝合金焊丝的铝合金焊接接头宏观状态如图4所示。由图4可见，采用5356铝合金焊丝的焊接接头焊缝细长、焊接宽度窄、表面型面良好、局部有少量焊瘤；采用其他三种焊丝的焊接接头表面型面凹凸不齐、焊缝较宽、外观形貌不良，尤其是使用6061铝合金焊丝和6101铝合金焊丝的焊接接头焊缝宽度不齐、边缘存在缩沟、焊缝中间存在裂纹。综合整体焊接接头外观质量，使用5356铝合金焊丝焊接的焊缝质量最好，达到焊接要求。

铝合金焊接试样的拉伸测试结果如表2所示。只有用5356焊丝的接头断裂位置在母材上，用4043、6061和6101焊丝的均断在焊缝处；从拉伸性能来看，5356焊缝接头抗拉强度最高(达到141 N/mm2)，4043、6101和6061的依次降低，这说明5356焊丝接头性能不低于母材，这可能与合金元素Mg有关系。

图4 不同焊丝焊接6061铝合金焊接接头的宏观形貌Fig.4 Macroscopic feature of 6061 aluminum alloy welded joint using different welding wires

表2 不同焊丝焊接6061铝合金焊接接头的拉伸强度Table 2 Tensile strength of 6061 aluminum alloy welded joints with different welding wires

2.2 硬度测试结果与分析

焊接试样的硬度测试情况如图5所示。可以看出，5356焊丝接头整体硬度分布低于其他三种焊丝接头，但母材区、热影响区和焊缝区的硬度相对一致；相比而言，4043、6061和6101焊丝的焊缝区的硬度均超过母材硬度约15 HV～20 HV，这代表着焊缝区的强度要大于母材，这与前述的拉伸性能数据矛盾，并且这三种焊丝制作的焊接件断裂均发生在焊缝处，说明焊缝可能存在缺陷。

图5 不同焊丝焊接6061铝合金焊接接头的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of 6061 aluminum alloy welded joints with different welding wires

2.3 金相组织观测结果与分析

利用低倍显微镜对采用4043、5356、6061、6101铝合金焊丝的焊接接头关键部位金相组织进行观察，结果如图6所示。采用6061和6101铝合金焊丝的焊接接头的宏观裂纹比较明显，相比之下，采用4043和5356铝合金焊丝的焊接接头基本无裂纹，接头组织更好。

图6 不同焊丝焊接6061铝合金焊接接头的金相组织Fig.6 Microstructures of 6061 aluminum alloy welded joints with different welding wires

利用低倍显微镜对焊接区、焊缝区以及热影响区的金相组织进行观测，观测结果如图7所示。可见，采用4043和5356焊丝的焊接接头铸造组织比较明显。

由上述分析可得，采用5356铝合金焊丝进行焊接可得到最优的焊接质量，焊缝微观组织为(α+Si)共晶组织，同时存在少许初晶硅颗粒。

图7 不同焊丝焊接6061铝合金焊接接头不同区域的金相组织Fig.7 Microstructures of aluminum alloy welded joints with different welding wires in different areas

2.4 焊接试样腐蚀测试结果与分析

铝合金焊接试样在不同腐蚀时间下的腐蚀结果如图8所示。由图8可见，铝合金试件焊缝表面在腐蚀一段时间后出现了白色颗粒状的腐蚀产物，当腐蚀时间为12 h时，焊缝表面无腐蚀膜，焊缝和母材的颜色与腐蚀前差别不大；当腐蚀时间为24 h 时，焊接热影响区表面有浅灰色腐蚀膜出现；当腐蚀时间为96 h时，焊缝表面有灰色腐蚀膜，焊缝、母材均出现白色颗粒状的腐蚀产物；当腐蚀时间为168 h时，焊缝表面颜色加深，逐渐变为灰黑色，并且白色颗粒状腐蚀产物增多，但并没有出现起泡现象。可见经腐蚀测试后的焊缝区、热影响区和母材区均出现变色现象，但并没有发生明显的腐蚀，因此本研究中的铝合金焊件耐腐蚀性能满足要求。