MIG焊接参数对6061铝合金的影响分析

林文志

(福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350001)

1 研究背景

随着科技日新月异，人类对于新材料需求越来越大。铝合金因自身具有的化学性质活泼、高电导率和热导率、低密度、高比强度、高比刚度、良好的成型性、良好的高温性能以及耐腐蚀性，越来越受到青睐。6061铝合金作为优秀的铝合金材料，具有中等的强度、良好的抗腐蚀性、可焊接性，氧化效果较好。在实际生产中有着广泛的应用。

因铝及铝合金的理化特性使其焊接工艺与钢有许多不同之处：

1)铝及铝合金的表面氧化膜可妨碍焊接及钎焊过程的进行或引发一些与其相关的缺陷。

2)由于其比热、电导率及热导率很高，焊接时，热量会很快地通过材料传递到基体材料中，所以会导致在焊接接头部位产生热量不足，从而造成未熔合以及未焊透。

3)由于其线膨胀系数较大，为23.5×10-6℃，为钢材的两倍左右，凝固体积收缩率高达6.5%～6.6%。

4)由于在焊铝时的温度的变化不会引起焊件明显的颜色变化，全凭焊工的经验，故焊接操作有一定的难度。

目前，铝及铝合金的焊接技术已经有了长足的进步。现已广泛采用氩弧焊[1]、氦弧焊、等离子弧焊等多种特种焊接方法。有些历来被视为不可焊的铝合金，如Al-Cu-Mg，Al-Cu-Mg-Si，Al-Zn-Mg，Al-Li等硬铝及超硬铝合金，通过新方法及特殊焊接材料的配合，已成为可焊的铝合金并制成高新产品[2]。

基于上述分析，焊接方法与焊接工艺参数对铝合金的焊接接头的质量(焊件变形、焊缝气孔、焊接裂纹等)起了至关重要的作用。本文旨在寻求在熔化极氩弧焊条件下，工艺参数对6061铝合金的焊接性能的影响。对6061铝合金的焊接性以及焊接参数的研究可以减少焊接接头的缺陷，对6061铝合金在实际生产中的应用有着非常重要的意义。

2 研究步骤、方法及措施

2.1 选材

本次试验所用焊接母材为6061铝合金(抗拉强度：280 MPa～310 MPa，断后延伸率：25%)。主要化学成分为：Si(0.4 ～0.8)，Cu(0.15～0.4)，Mg(0.8～1.2)，Zn(0.25)，Mn(0.15)，Ti(0.15)，Cr(0.04～0.35)，Fe(0.7)。

根据本次试验材料的厚度尺寸，选用V型坡口作为对接焊口，钝边及底部间隙均为3 mm。按标准测试试验进行试件取样：拉伸试样、硬度/组织观察试样。

2.2 焊接工艺参数设置

焊丝清洗：选用焊丝为未开封状态，可以不用清洗[3]。坡口的清洗：用丙酮除油污，用刮刀刮掉氧化膜，干燥，位置包括坡口部位和坡口两侧各20 mm左右的地方。电弧电压的选择：电弧电压与焊丝直径、保护气体、焊接电流及弧长有关。根据焊接电流的大小选择合适的电弧电压，使6061铝合金在焊接过程中保持亚喷射过渡。焊接速度：焊接速度与零件厚度、焊接电流、电弧电压等密切相关[4]。因在实际操作中不容易控制焊接速度，只能根据焊接师傅的经验来焊接，故不研究此参数。焊接接头位置的选择：平焊。

根据实际情况，合理地选择9组参数组合,见表1。

表1 焊接参数

2.3 试验方法

焊接接头微观形貌观察方法：主要借助金相显微镜进行金相显微观察。焊接接头拉伸试验方法：焊接好铣去余高，取样，依据GB 2649—89焊接接头机械性能试验取样方法及GB/T 228—2002金属材料室温拉伸试验方法设计拉伸试样形状尺寸。加工后分别在万能材料试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率为2 mm/min[5-6]。

焊接接头硬度测试方法：清理试样表面，并根据试样的材料、厚度和硬度范围选择载荷F为300g、保压时间为10 s。把试样放在工作台上，根据维氏硬度的操作规程进行试验，取每个区域的平均值作为最终结果。硬度试样如图1所示。

2.4 试样分组编号

按照表2试样分组规则进行试样分组，其他依此类推。

表2 试样分组规则

3 焊接接头的性能试验结果与讨论

3.1 焊接接头的微观组织形貌

在此次试验中选择具有代表性的A3，E3，I3三个试样进行金相的观察，焊接参数如表3所示。

表3 试样参数

以上三个试样制作完成后，放在金相显微镜下进行观察，焊接接头的各个区域照片如图2～图4所示。

图2～图4均在放大100倍后拍摄。图2中热影响区，焊前母材的强化相Mg2Si和杂质相FeAl3，α(Al12Fe3Si)，β(A19Fe2Si2)等是以质点的形式弥散地分布于基体中的，且尺寸较小。焊后，晶粒伸长、变形，逐渐延伸成板条状，尺寸增大[7]。一般热输入越大，变形则越大，直至组织成纤维状，具有明显的方向性。

图2中熔合区区域最明显的特征是它的联生结晶，从照片中可以明显看出，在焊接的过程中，整个焊缝在冷却过程中以熔合线上局部半熔化的晶粒为核心向内生长，生长方向为散热最快方向，最终成长为柱状晶粒。晶粒前沿伸展到焊缝中心，呈柱状铸态组织。

图2中焊缝区域，从图2中可以看出右半部区域晶粒形状大小较均匀，为等轴晶。因此，此次试验所用的焊丝为铝硅焊丝(ER4043)，是一种通用性较大的铝硅合金焊丝，Si的质量分数在4.5%～6.0%左右，在Al-Si二元系合金中，Si的共晶点成分为11.7%，由此可判断焊缝中心区域的组织为初生α 相+(α+Si)共晶相。同时可以看出，左半部比较靠近熔合区的区域与右半部晶粒形态不一样。右半部为等轴晶，左半部为柱状晶，有的晶粒长得比较长而有的长得比较短小，这种现象为晶粒的择优生长。产生此现象的原因是在熔池与母材的交界处，母材晶粒的生长方向是各向异性的，如果它的生长方向恰好处于散热最快的方向，晶粒则长得较快，占据较大的空间，而如果生长方向散热较慢，则晶粒生长较慢，生长空间不足，所以看起来比较短小。

观察图3,图4后发现，E3和I3的焊接接头显微组织与A3大同小异，组织成因也一一对应，故不再赘述。

3.2 力学性能试验结果讨论

3.2.1 拉伸试验结果

拉伸试验结果按照表4记录规则进行记录存档，其他依此类推。

表4 拉伸试验结果

为了研究电流对焊接接头强度的影响，选择D，E，F，G组结果进行分析(见表5)。

表5 对比结果(一)

结合表4,表5可以看出，除未熔合的试样外，其他试样的焊接接头的抗拉强度在50%以上。随焊接电流的增大，焊接接头的抗拉强度在逐渐降低，并且电流增大会逐步降低焊缝及热影响区的韧性，使之变脆，所以越到后边大电流的试样，更容易在焊缝处发生断裂。而延伸率保持在80%～90%左右，说明电流对焊接接头延伸率的影响不大。再观察在焊缝处断裂的试样，其抗拉强度和延伸率一般都发生突变，大幅度地降低。

选择C，D，H组结果进行分析，研究不同角度下的焊接坡口对焊接接头强度的影响(见表6)。

表6 对比结果(二)

结合表4，表6可以看出，除因未熔合而在焊缝处断裂的试样外，各个试样的抗拉强度均处在53%左右，且延伸率也在80%～90%范围。事实上，坡口的设计初衷主要是为了保证能焊透工件，根据工件厚度来选择合理的坡口角度，所以坡口角度对焊接接头的影响不明显。

最后选择在相同的焊接电流和坡口角度下，将B，C两组结果进行分析对比，不同厚度的板材焊接完成后焊接接头的情况(见表7)。

表7 对比结果(三)

从表4和表7可看出，虽然焊接电流与坡口角度都相同，但10 mm厚的C组出现了两组在焊缝处的断裂，再结合E组(180 A，10 mm)的试验结果，相对于C组，抗拉强度与延伸率都不同程度提高了，说明C组在焊缝处的断裂是因为焊接电流过低导致焊缝金属中存在着未熔合。

3.2.2 焊接接头的硬度分布

硬度是十分重要的衡量材料力学性能强度的指标。根据试验数据可知，焊缝中心处硬度较高，硬度分布总是在离焊缝中心10 mm～15 mm的位置处出现一个下降点，随后又缓慢上升。这是因为在焊缝中心处的晶粒较焊缝边缘更细小，焊丝中的合金元素在焊缝中形成强化相，提高焊缝中心的硬度。而在离焊缝中心10 mm～15 mm处于热影响区，焊接热输入使热影响区金属软化，因此硬度较低，抗拉强度也相应降低。随着离焊缝中心距离变远，焊接热输入也逐渐减小，硬度也缓慢上升，直至母材的硬度水平。

3.3 拉伸断口分析

本次试验选取具有代表性的A6，E4，Ⅰ6三个试样用扫描电镜进行观察(见图5～图7)。

从图5中宏观照片可知，在焊缝处断裂，未产生较大塑性变形，延伸率2.5%，故可初步判断断裂方式为脆性断裂。同时，断口存在韧窝，且韧窝周围掺杂一些夹杂(白色物体)，单韧窝数量较少，还有准解理面存在，故此断口为韧窝-准解理断裂。

从图6中宏观照片可知，在焊缝处断裂，且无颈缩现象，其延伸率为9.0%，初步判断其为脆性断裂。同时存在韧窝，河流花样说明了它是解理断裂，故此断口断裂方式为韧窝-解理断裂。

根据图7中宏观照片，切其延伸率为5.0%，可以初步判断此断裂方式为脆性断裂，再对比其微观形貌，未观察到明显的韧窝存在，但可观察到解理断裂，故此断口断裂方式为脆性解理断裂[8]。

4 结论

通过制定不同的工艺参数，全面地研究了焊接接头的抗拉强度、延伸率、维氏硬度，并通过金相显微镜观察焊接接头的显微组织，并对拉伸断口形貌进行观察，并针对出现的一些焊接缺陷做出分析并给出了解决办法，得出以下结论：

1)D2试样(坡口角度50°，焊接电流170 A，母材厚度为10 mm)焊接接头无焊接缺陷，其极限抗拉强度为173 MPa，为母材的57.7%，且延伸率为22.5%，达到母材的90%。

2)在除去出现焊接缺陷的试样外，此次研究所焊接的试样抗拉强度和延伸率均能达到50%以上。

3)通过拉伸断裂位置和硬度分布可以得出，热影响区(HAZ)受热软化，抗拉强度降低，硬度也降低。

4)在坡口角度为50°，厚度为10 mm的试样中，焊接电流在170 A～200 A的范围内，增大焊接电流，试样的抗拉强度将降低；电流过小是产生未熔合的根本原因。

5)坡口角度对焊缝力学性能的影响不大，在实际生产中，应根据工件厚度来选择合理的坡口角度。

6)热影响区、熔合区、焊缝边缘以及焊缝中心的晶粒形状各不相同，依次为条状强化相、柱状晶、等轴晶。且根据Al-Si二元系相图，Si的共晶点成分为11.7%，由此可判断焊缝中心区域的组织为初生α相+(α+Si)共晶相。