羅 健，蹇海根，丁智輝,，唐嫻敏

（1. 湖南工業(yè)大學 冶金與材料工程學院，湖南 株洲 412007；2. 湖南德潤有色焊材科技有限公司，湖南 株洲 412000）

5356鋁合金焊絲組織與性能的試驗對比研究

羅 健1，蹇海根1，丁智輝1,2，唐嫻敏1

（1. 湖南工業(yè)大學 冶金與材料工程學院，湖南 株洲 412007；2. 湖南德潤有色焊材科技有限公司，湖南 株洲 412000）

通過金相、掃描、硬度及拉伸試驗等測試分析手段，對自制焊絲(1#)、國產焊絲(2#)和進口焊絲(3#)3種5356鋁合金焊絲的表面質量、顯微組織以及力學性能進行了對比分析研究。試驗結果表明：由于成分配比、雜質含量、加工方法等原因，3#焊絲表面均勻光滑，無裂紋、劃痕等顯著缺陷，表面質量和力學性能最優(yōu)；1#焊絲表面存在細微裂紋，晶粒細小均勻分布，表面質量和力學性能次之；2#焊絲表面粗糙，有凹坑及麻點等缺陷，表面質量和力學性能最差。

5356鋁合金焊絲；連續(xù)擠壓；微觀組織；力學性能

0 引言

鋁鎂合金為非熱處理強化鋁合金，具有質輕、強度高、抗腐蝕及易加工等優(yōu)點，由其形成的焊接結構在軌道交通、船舶、航空及化工等行業(yè)得到了廣泛的應用[1-2]。在鋁合金焊接基材一定的情況下，焊接工藝和焊絲質量對結構材料的焊接性能起著決定性作用[3]。焊絲是影響焊縫金屬成分、組織、縫區(qū)母材裂紋傾向性、焊縫耐蝕性及力學性能的關鍵因素[4]，且需與基材進行合理匹配。

目前，國內外發(fā)展快速的地鐵列車、高速列車和輕軌列車車廂多以鋁合金型材作為焊接骨架，通過焊接可減少40%車輛制造工作量，焊絲性能的好壞將直接影響車輛的運行性能、速度、運載能力和效率[5]。5356鋁合金焊絲作為一種在鋁合金焊接結構運用非常廣泛的通用型焊材，需求量也逐年增加，在國內外的市場潛力巨大。國內軌道交通用5356鋁合金焊絲90%以上依靠進口，主要以美國Alcoa、法國SAF等公司生產為主，而國產焊絲在焊絲表面外觀和內在冶金質量等均存在一定的差距，導致國內車輛用大型鋁合金型材配用焊絲始終無法實現(xiàn)批量生產和供應[6]。國外企業(yè)對高端鋁合金焊絲實行技術封鎖和市場壟斷，為打破這種尷尬局面，開發(fā)和生產我國高質量、高性能的5356鋁合金焊絲刻不容緩[7-10]。

課題組采用連續(xù)擠壓工藝生產出一種新型5356鋁合金焊絲[11]，文中分別從表面質量、顯微組織及力學性能等方面將該焊絲與另一國產焊絲和進口焊絲進行對比性試驗研究。通過焊絲冶金質量及性能的綜合評估，課題組對導致差異的原因進行系統(tǒng)分析，旨在為國產焊絲生產工藝的改進和焊絲質量的改善提供技術支撐。

1 試驗材料、儀器與方法

1.1 試驗材料

3種焊絲化學成分如表1所示。其中，Al和Mg為主要合金元素，Mn、Cr等微量元素以適當?shù)谋壤砑印?/p>

表1 焊絲成分列表Table 1 Wires composition list %

1.2 試驗儀器

掃描電鏡，JSM-5600LV，日本JEOL公司生產；

金相顯微鏡，POLYVER-MET，德國卡爾蔡司公司生產；

維氏顯微硬度計，HVA-10A，濟南恒思盛大儀器公司生產；

萬能測量試驗機，CSS-44100，長春試驗機研究所生產。

1.3 試驗方法

在不同品牌的焊絲盤上截取一定長度焊絲試樣，使用酒精擦拭除去表面油跡及其它雜質，然后采用掃描電鏡進行表面形貌觀察；經機械預磨、拋光腐蝕后，在金相顯微鏡上對每種焊絲的橫截面、縱面進行金相顯微組織觀察，腐蝕液為自配混合酸，其配方為：2 mL HF, 3 mL HCl, 5 mL HNO3, 190 mL H2O。采用HVA-10A型維氏顯微硬度計進行顯微硬度測定，在試樣上等間距0.2 mm打5個點測量，然后計算硬度的平均值；在室溫下使用萬能測量試驗機進行拉伸力學性能試驗，每種焊絲拉伸結果測量3次取均值。

2 試驗結果及分析

2.1 金相顯微分析

3種焊絲的金相顯微組織形貌如圖1所示。由圖可知，各種焊絲的金相顯微組織基本相同，由于擠壓拉拔加工縱向呈明顯被拉長狀態(tài)，橫截面則表現(xiàn)為典型的密集形貌。

圖1 焊絲金相組織Fig.1 Micro-structure of welding wires

在圖中，白色部分主要為不顯相界的 (Al)基體，大部分的Mg元素固溶到 (Al)基體中，擠壓拉拔冷卻過程中析出(Al3Mg2)強化相，即圖中縱向細小灰黑色顆粒相。1#焊絲生產采用連續(xù)擠壓工藝，相比2#、3#焊絲采用多道次拉拔工藝，灰色顆粒(Al3Mg2)相顯現(xiàn)程度較低，這主要是由于第二相在連續(xù)擠壓過程中發(fā)生較大變形、破碎所致。觀察分析可知，自制1#焊絲的縱向晶粒更為細小，均勻分布，這主要跟加工方法有關，連續(xù)擠壓法變形率大，晶粒破碎程度更大，晶粒被拉長以至斷裂成微小顆粒，晶粒之間的相互摩擦加速了破碎過程，同時彌散分布的第二相質點阻礙晶粒的長大，從而獲得細小的再結晶顆粒[12]。2#和3#焊絲經歷多道次拉拔，在拉拔力及拉拔模具摩擦力的作用下，晶粒由等軸晶逐漸演變?yōu)檠乩畏较虻募氶L纖維狀組織，如圖1c、圖1e所示，拉拔道次逐漸增加，晶粒沿拉拔方向越發(fā)明顯。而由圖觀察可知二者縱向晶粒尺寸較大，因為多道次拉拔過程中經過中間以及后期退火處理，會出現(xiàn)晶粒長大現(xiàn)象。Ti是很好的晶粒細化劑，自制1#焊絲適當添加微量元素Ti對細化晶粒起到影響作用，同時也能細化鑄態(tài)焊縫晶粒組織[13]。

2.2 表面形貌觀察

焊絲表面缺陷將會導致焊接過程送絲不連續(xù)、甚至斷絲等問題，影響焊接的穩(wěn)定性和焊接結構質量。提高焊絲表面質量，可有效減少送絲時焊絲表面與導絲管的摩擦阻力，提高自動送絲的穩(wěn)定性和電弧穩(wěn)定性。圖2為試樣的掃描電鏡下的表面形貌，如圖所示，國產自制1#焊絲表面橫向有微裂紋，沿著擠壓方向有明顯的劃痕；國產2#焊絲表面粗糙，雜質、凹坑及麻點較多；進口3#焊絲表面質量最好，均勻光滑，無裂紋、凹坑、劃痕等顯著缺陷。

圖2 焊絲表面形貌Fig.2 Surface topography of welding wires

焊絲的表面質量與化學成分、冶煉質量、加工方法等有很大的關系[14-17]。1#焊絲出現(xiàn)微裂紋，可能與其加工生產方法有關。由于連續(xù)擠壓一次成形法不需要加熱保溫坯桿料，主要通過摩擦熱和變形熱使桿坯軟化從而發(fā)生塑性變形。由于加工變形率很大，如果速率和溫度控制不適當，就會產生微裂紋等加工缺陷。當擠壓溫度較低時，合金塑性流動性較差，在模具型口不光滑處受較大摩擦；其次，擠壓潤滑劑加入量少，坯料與模具潤滑不夠，增大了合金表面與模具接觸面積，導致焊絲表面出現(xiàn)裂紋。2#焊絲表面粗糙，存在不同程度的凹坑和麻點等，這可能與前期熔煉有關，如果熔體潔凈度不夠，存在不同程度的氣體和各種夾雜物，就會導致桿料在后續(xù)擠壓變形過程中出現(xiàn)毛刺、凹坑等缺陷。同時，2#焊絲多道次拉拔之后，拉拔模具磨損或者碎屑粘入也有可能會導致毛刺等缺陷。焊絲缺陷焊接后就會成為焊接氣孔等缺陷的重要原因，對焊接生產非常不利。進口3#焊絲采用多道次拉拔退火工藝，加工變形率小，表面質量控制較好，但這種方法耗時耗能，加工效率受到一定程度的限制。

Fe、Si元素屬于焊絲中的有害雜質，其含量的高低對5356鋁合金焊絲表面質量起著重要的影響作用。Fe的質量分數(shù)一般應限制在0.4%以下，Si的質量分數(shù)一般應控制在0.25%以下[18]。由焊絲成分表1可知，3#焊絲Fe的質量分數(shù)為0.077%，較1#焊絲少0.044%，2#焊絲少0.102%；Si的質量分數(shù)僅為0.047%，較1#焊絲少0.029%，2#焊絲少0.051%，3#焊絲有害雜質元素含量控制得更好。由圖2分析可知3#焊絲表面質量更好，而其余2種焊絲可能由于雜質元素含量較高都呈現(xiàn)出劃痕、微裂紋等缺陷。

2.3 顯微硬度分析

表2為3種焊絲顯微維氏硬度測試結果。由表中數(shù)據可知，國產2#焊絲硬度最高，自制1#焊絲次之，進口焊絲硬度相比較低。

表2 焊絲顯微硬度Table 2 Micro-hardness of welding wires

由于2#焊絲采用傳統(tǒng)方法所制，熔煉過程中難免殘留較多的Fe, Si等雜質元素，導致后續(xù)加工過程中焊絲過多的存在黑色相(Al3Mg2)以及硬的雜質相（Fe, Mn）Al6和FeAl3，維氏硬度測量過程中壓痕打到硬的第二相的幾率要大，因此焊絲的硬度大。自制1#焊絲連續(xù)擠壓，晶粒拉長破碎變?yōu)榧庸た棙?，焊絲內部組織緊密，晶粒間格空隙逐漸變小，晶粒間的結合力增強，沒有發(fā)生明顯的動態(tài)再結晶，動態(tài)回復不足以軟化循環(huán)水冷卻之后焊絲產生的加工硬化，導致焊絲硬度較大[19]。進口焊絲擠壓產生加工硬化之后，由于多道次拉拔經歷中間退火以及拉拔后期退火，消除了加工硬化，其硬度變低。試驗證明，焊絲的硬度要適中，焊絲硬度值過大或過小都會導致焊絲自動送絲的穩(wěn)定性變差。

2.4 拉伸力學性能分析

3種不同5356焊絲的力學性能如表3所示。由表可知，自制1#焊絲與進口3#焊絲屈服強度相差不大，國產2#焊絲屈服強度略低。進口3#焊絲抗拉強度最大，自制1#焊絲次之，國產2#焊絲最小。延伸率三者相差不大。

表3 焊絲拉伸力學性能Table 3 Tensile mechanical properties of welding wires

焊絲力學性能與加工方法以及原材料成分密切相關。1#焊絲連續(xù)擠壓使得晶粒破碎細化程度較深，細化晶粒能提高強度。同時，擠壓變形程度大，近乎球形的晶粒由于變形而被拉長，導致晶粒表面積增大，相對地增加了難變形區(qū)面積，變形抗力隨之提高，使得力學性能提高。由于5356鋁合金屬于不可熱處理強化鋁合金，當擠壓溫度過高時，其強度下降，塑形增加，因此要合理控制擠壓溫度上限。進口焊絲除采用擠壓法細化晶粒提高強度的同時，多道次拉拔過程中退火處理會消除加工硬化以增加強度，提高塑性。國產焊絲2#強度、塑形都較低可能是由于熔煉過程易于吸氣和氧化，因此在熔體中不同程度地存在氣體和各種非金屬夾雜物，使鑄錠產生疏松、氣孔、夾雜等缺陷，顯著降低后續(xù)加工焊絲的力學性能。

3 結論

1）對比試驗分析表明，3#焊絲的表面質量與力學性能等均為最優(yōu)，自制1#焊絲次之，2#焊絲最差。這跟焊絲的成分配比、雜質含量、冶金質量以及焊絲制備工藝方法等均有很大的關系。

2）課題組采用連續(xù)擠壓法制備出的5356鋁合金焊絲在焊接試驗過程中表現(xiàn)良好，強硬度、塑性及送絲穩(wěn)定和連續(xù)性均符合實際焊接要求，焊接效果接近進口3#焊絲。但由于連續(xù)擠壓加工一次成型，焊絲的表面質量還存在一定缺陷，后續(xù)需在擠壓溫度、擠壓速度、模具以及后續(xù)表面微處理方面加以改進優(yōu)化，以期生產出更高質量的鋁合金焊絲。

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（責任編輯：申 劍）

An Experimental Comparative Study on the Microstructure and Properties of 5356 Aluminum Alloy Welding Wires

LUO Jian1，JIAN Haigen1，DING Zhihui1,2，TANG Xianmin1
（1. School of Metallurgical and Materials Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Hunan Derun Nonferrous Welding Technology Co., Ltd.，Zhuzhou Hunan 412000，China）

An experimental comparative investigation has been made of the surface quality, microstructure and mechanical properties of three different types of aluminum alloy welding wires, namely, self-made wires (1#), domestic wires (2#) and imported wires (3#) by using such testing methods as microscopy, scanning, hardness test and tensile test, etc. The experimental results show that, due to their different component ratios, impurity contents, and processing methods, 3# welding wires exhibit such excellent properties as optimum surface quality and mechanical properties, lacking of such obvious defects as cracks and scratches. Fine cracks can be found on the surface of 1# wire with fine grains uniformly distributed, thus making its surface quality and mechanical properties slightly inferior; 2# wire is characterized with such defects as pits and pittings on a rough surface, thus making it the most inferior as regard to its surface quality and mechanical properties.

5356 aluminum alloy welding wires；continuous extrusion；micro-structure；mechanical properties

TG422.3

A

1673-9833(2016)05-0092-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.018

2016-08-21

羅 ?。?991-），男，湖南湘西人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為新型鋁合金焊絲的研發(fā)，E-mail：2209737785@qq.com

蹇海根（1980-），男，湖南衡陽人，湖南工業(yè)大學副教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為鋁合金焊絲研發(fā)及其微合金化，E-mail：jianhaigen2001@163.com