羅 健，蹇海根，徐國新，申向旭，覃凱陽，陳芷婷，丁智輝,

（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）

退火態(tài)5083鋁合金焊接接頭組織與性能分析

羅 健1，蹇海根1，徐國新1，申向旭1，覃凱陽1，陳芷婷1，丁智輝1,2

（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）

采用連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化技術(shù)制備的ER5356鋁合金焊絲對退火態(tài)5083鋁合金板材進行MIG焊接，并通過金相、掃描、硬度、拉伸等觀察與測試手段對其焊接接頭進行試驗分析。結(jié)果表明：該技術(shù)制備的焊絲焊接效果良好，焊縫無裂紋、夾雜等缺陷；焊接接頭各區(qū)域組織分布均勻，焊縫中心硬度最低，為68 HV，焊接接頭抗拉強度為277 MPa，強度系數(shù)為92.3%，力學性能較好，完全達到了實際焊接要求和船舶使用需求。

ER5356鋁合金焊絲；連續(xù)擠壓；焊接接頭；力學性能

1 研究背景

5083鋁合金屬于典型的鋁鎂合金，具有質(zhì)量輕、強度高、塑性好且抗腐蝕等優(yōu)點，其焊接結(jié)構(gòu)件在船舶等行業(yè)應用較為廣泛[1-2]。在焊接基材確定的情況下，焊接工藝和焊絲質(zhì)量決定著焊接結(jié)構(gòu)件的性能[3]。焊絲質(zhì)量影響著焊縫的組分、焊縫裂紋的形成、接頭的耐蝕性、微觀組織及力學性能等[4]，而不斷發(fā)展的焊接技術(shù)則直接影響耐蝕5083鋁合金在船舶上的應用程度。

近年來，許多學者對5083鋁合金焊接接頭進行了深入的探索與研究。Cai D. T.等[5]對采用等離子體-MIG（metal inert-gas）復合焊和MIG焊焊接的船用5083鋁合金焊接接頭的微觀組織、拉伸以及彎曲性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)等離子體-MIG復合焊相比等離子體焊和MIG焊有更高的焊接效率，焊接速度、電流對焊縫滲透以及焊縫形貌有著積極的影響，接頭的延展性以及強度都達到了標準；Wang C. G.等[6]研究了環(huán)境溫度對A5083-H111合金焊接接頭微觀組織與力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的升高，焊縫中析出相的晶粒尺寸減小，但是析出相的晶粒體積分數(shù)增大。遠離焊縫中心，硬度增大，焊接溫度大于0 ℃時強度和韌性比焊接溫度小于0 ℃時要高；K. Shankar等[7]研究了焊縫修復對5083鋁合金焊接接頭裂紋擴展行為的影響，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)殘余應力影響焊縫裂紋長大速率，焊縫修復增大了熱影響區(qū)的晶粒尺寸，但對合金接頭的剩余壽命并沒有太大的改善；P. Schempp等[8]向5083鋁合金GTAW焊（鎢極氬弧焊）焊縫金屬添加晶粒細化劑AlTi5B1以細化晶粒，通過實驗發(fā)現(xiàn)細晶強化使得焊縫金屬韌性提高，但強度提高較小，抵抗疲勞裂紋萌生的能力增大；孟憲偉等[9]對A5083P-O鋁合金MIG焊接接頭組織及疲勞性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)其焊縫組織為細小樹枝晶，靠基材一側(cè)為細長柱狀晶粒，接頭硬度值為70～80 HV，極限疲勞強度為95 MPa。

課題組采用連續(xù)擠壓[10]—拉拔—刮削光亮化制備技術(shù)生產(chǎn)出一種新型ER5356鋁合金焊絲，采用該工藝生產(chǎn)的焊絲產(chǎn)品質(zhì)量好，性能穩(wěn)定。用制得的焊絲產(chǎn)品對耐蝕船用5083鋁合金板材進行MIG配對焊接，通過其焊接接頭微觀組織及力學性能的分析研究，評價使用連續(xù)擠壓法生產(chǎn)焊絲的焊接效果，并為耐蝕5083鋁合金板材在船舶上的應用提供試驗參考。

2 試驗材料、方法及儀器設(shè)備

2.1 試驗材料

試驗用基材為厚8 mm的退火態(tài)5083鋁鎂合金板材，退火溫度為250 ℃，保溫1 h。填充材料為經(jīng)過連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化制備工藝生產(chǎn)的Φ1.6 mm ER5356配用焊絲。ER5356鋁合金焊絲制備工藝流程：Φ10 mm ER5356鋁合金坯桿料—連續(xù)擠壓至直徑為Φ3.2 mm—退火與拉拔—刮削光亮化處理（至直徑為Φ1.6 mm）。基材和焊絲的具體化學成分及含量見表1。

表1 基材和配用焊絲的化學成分及含量Table 1 Chemical composition of base metal and wires %

2.2 試驗儀器設(shè)備

焊機，YD-400GE，日本松下公司生產(chǎn)；

電火花線切割機，DK7720，泰州市江洲數(shù)控機床制造有限公司生產(chǎn)；

金相顯微鏡，POLYVER-MET，德國卡爾蔡司公司生產(chǎn)；

掃描電子顯微鏡，日立S-3400N，天美（中國）科學儀器有限公司生產(chǎn)；

維氏顯微硬度計，HVA-10A，濟南恒思盛大儀器公司生產(chǎn)；

電液伺服動靜萬能測量試驗機，PWS-E100，濟南時代試金試驗機有限公司生產(chǎn)。

2.3 試驗方法

圖1為焊接及試驗取樣示意圖。

圖1 焊接及試驗取樣示意圖（單位：mm）Fig. 1 Schematic diagram of welding and test sampling (unit: mm)

焊接前需清除金屬表面的氧化膜等雜質(zhì)，且進行預熱。采用焊機進行MIG自動化焊接，保護氣體為高純氬氣（體積分數(shù)不低于99.99%），焊接電流為200 A，噴嘴直徑為16 mm，氬氣流量為19 L/min，焊接速度為600 mm/min。焊后采用線切割方法截取接頭試樣進行顯微組織分析和性能測試。試樣進行金相顯微組織觀察需先機械預磨，清水拋光，再陽極覆膜，溶液配比為1 000 mL H2O+30 mL HF+11 g H3BO3，試驗過程中適當調(diào)整電壓，使電流保持在0.1～0.2 mA，覆膜時間約為90 s。試樣經(jīng)過預磨、清水拋光后，在掃描電子顯微鏡上進行形貌觀察。顯微硬度測試在低負荷維氏硬度計上進行，加載力為2.94 N，加載時間為10 s。采用電液伺服動靜萬能測量試驗機在室溫條件下進行力學性能測試，拉伸速度為2 mm/min，焊接接頭取2個樣，標識為1#，2#。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 焊絲及焊縫表面形貌

圖2為焊絲外觀質(zhì)量觀察形貌和焊接宏觀效果。

圖2 焊絲及焊縫表面形貌Fig. 2 Surface morphology of welding wires and welding seams

由圖2a可知，采用連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化制備的ER5356焊絲外觀質(zhì)量較好，無毛刺、劃痕及微裂紋等加工缺陷。圖2b為自制ER5356焊絲焊接5083鋁合金板材焊縫宏觀形貌，由圖可知焊縫平整致密，無明顯的裂紋、夾雜以及未熔合、未焊透等顯著缺陷。

焊絲外觀質(zhì)量與焊絲成分配比、雜質(zhì)含量、冶金質(zhì)量以及焊絲制備工藝方法等有很大的關(guān)系。焊絲前期生產(chǎn)嚴格控制熔體中氣體和各種非金屬夾雜物（氧化物、碳化物等），避免鑄錠產(chǎn)生疏松、氣孔、夾雜等缺陷。嚴格控制Mn、Cr等微合金化元素以及Fe、Si等雜質(zhì)元素的含量，采用連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化相結(jié)合的制備技術(shù)，降低了焊絲表面毛刺、微裂紋等缺陷的產(chǎn)生，有效地改善了焊絲外觀質(zhì)量。本次焊接效果顯著（焊縫成型較好），其因素主要有3個：焊接工藝，試驗采用MIG自動化焊接，嚴格控制焊接電流、焊接速度等工藝參數(shù)；焊絲質(zhì)量，由于焊絲優(yōu)異的外觀質(zhì)量，焊接過程中未出現(xiàn)堵絲、斷絲等焊接問題，填充焊絲與基材經(jīng)歷加熱、熔化、冶金反應后，冷卻結(jié)晶形成成型較好的鑄態(tài)焊縫形貌；化學成分，合金成分偏析或低熔點物質(zhì)的存在易引起接頭裂紋產(chǎn)生，焊絲和基材中加入微量Zr、Ti形成的ZrAl3、TiAl3能細化焊縫鑄態(tài)組織及抗焊縫裂紋。

3.2 焊接接頭微觀組織

焊接接頭一般由焊縫區(qū)（weld zone，WZ）、熔合區(qū)（fusion zone，F(xiàn)Z）、熱影響區(qū)（heat affected zone，HAZ）和基材區(qū)（base metal，BM）組成。5083鋁合金焊接接頭不同部位區(qū)域的金相顯微組織如圖3所示。

圖3 焊接接頭各區(qū)域金相組織Fig. 3 Metallurgical structure of welded joints in different regions

圖3a中，焊縫中心為致密細小等軸枝晶鑄態(tài)組織，形成的原因是焊接熔池快速結(jié)晶，溶質(zhì)濃度的差異以及溶質(zhì)擴散、均勻化的速度較慢，形成了典型的鑄態(tài)組織[11]。圖3b中，熔合線清晰可見，靠近焊縫區(qū)的組織為半熔合區(qū)，該區(qū)為大量細小的等軸晶?？拷肴酆蠀^(qū)的熱影響區(qū)的組織特征為長大的再結(jié)晶組織和軋制加工纖維組織（圖3c中，軋制加工方向為白色箭頭所指）。熱影響區(qū)晶粒組織較粗大，主要是焊接時焊縫區(qū)向熱影響區(qū)傳熱較快，而該區(qū)域過冷度較小，受高溫時間較長，從而導致該區(qū)域晶粒明顯長大。受焊接散熱梯度的影響，熱影響區(qū)晶粒粗大程度不一致?？拷牡臒嵊绊憛^(qū)為典型的軋制加工纖維組織（圖3d中），形成原因是軋制加工使得晶粒及晶間物質(zhì)沿變形方向拉長，形成纖維組織。

3.3 焊接接頭掃描形貌

退火態(tài)5083鋁合金焊接接頭掃描形貌及能譜分析結(jié)果如圖4所示。由圖4a、4b可知，焊接接頭表面形貌較好，未發(fā)現(xiàn)較多微裂紋、氣孔等缺陷，與前面焊縫宏觀形貌以及金相顯微組織分析結(jié)果相一致。焊接接頭除了極少淺灰色相析出，未發(fā)現(xiàn)其它第二相粒子，文獻[12-13]表明圖4c的析出相為β(Al8Mg5)。β(Al8Mg5)相呈骨骼狀，具有面心立方晶格，在室溫下很脆，如果合金中該相含量過多將導致塑性及耐蝕性降低。圖4d的能譜分析結(jié)果表明，Zr在焊接接頭中形成ZrAl3，成為α固溶體外來異質(zhì)結(jié)晶核心，使晶粒細化。Zr還能與焊縫熔池的氫反應生成ZrH，在熔池中起到除氣作用，減少焊縫氣孔、疏松等缺陷，而微量Ti形成的TiAl3能進一步細化焊縫鑄態(tài)組織及抗裂紋。同時，焊接接頭未見(FeMn)Al6、FeAl3等難溶金屬間化合物，對其各項性能的提高也具有積極的意義。

圖4 焊接接頭掃描形貌Fig. 4 Scanning morphology of welded joints

3.4 硬度測試結(jié)果分析

從一側(cè)基材（BM）開始，沿與焊接垂直方向每隔0.5 mm間距進行顯微硬度測試，其顯微硬度分布曲線如圖5所示。

圖5 焊接接頭硬度分布曲線Fig. 5 Hardness distribution curves of welded joints

焊接過程中，焊接熱循環(huán)的作用使得焊接接頭不同區(qū)域的硬度值有明顯的區(qū)別。從圖5可以看出，焊縫中心硬度（68 HV）最低，以焊縫為中心兩側(cè)硬度大致對稱，遠離焊縫中心硬度不斷增大，到達基材后硬度（88 HV）趨于平穩(wěn)。焊接加熱時，焊縫處的熔融溫度高達1 500 ℃左右，ER5356焊絲中的強化元素Mg會產(chǎn)生一定的燃燒損失，導致合金主元素含量降低，從而導致焊縫硬度降低。同時，焊縫屬于典型的急冷鑄態(tài)組織，其組織較為疏松且不均勻。通過金相、掃描觀察可知，在焊縫附近區(qū)域分布極少量微小氣孔，在維氏硬度測量過程中對氣孔較軟區(qū)域的壓痕打擊也有可能導致硬度較低。熔合區(qū)金屬由于溶解了焊絲及基材大量Mg、Mn等合金強化元素，使得固溶強化提高，同時通過金相組織觀察該區(qū)的晶粒組織為等軸細晶，細晶強化使得顯微硬度相比焊縫急劇增加[8]。在焊接接頭熱影響區(qū)，受焊接熱循環(huán)的影響，晶粒發(fā)生再結(jié)晶，合并長大形成粗晶區(qū)，粗晶組織的形成使得該區(qū)的顯微硬度升高緩慢?；膮^(qū)組織沒有變化，其硬度最高且相對較穩(wěn)定。

3.5 拉伸力學性能分析

表2為焊接接頭的室溫力學拉伸試驗結(jié)果。

表2 接頭力學拉伸試驗結(jié)果Table 2 Tensile test results of welded joints

由表2可知，5083鋁合金板材MIG焊接接頭的抗拉強度為277 MPa，屈服強度為180 MPa，延伸率為11.05%，焊接接頭強度系數(shù)（接頭抗拉強度與基材抗拉強度的比值）為0.923。該結(jié)果符合美國船級社（American Bureau of Shipping）、中國船級社（China Classi fi cation Society）對ER5356 焊絲認證標準的要求：焊接接頭抗拉強度在275 MPa 以上。

焊縫區(qū)中急冷鑄態(tài)組織、極少焊接氣孔的存在以及較少析出強化相使得該區(qū)與熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基材區(qū)相比強度較低，塑性較差，成為焊接接頭的最薄弱環(huán)節(jié)，力學拉伸斷裂位置也處于該區(qū)域。

3.6 斷口分析

焊接接頭力學拉伸斷口形貌如圖6所示。圖6a中，1#、2#焊接接頭試樣斷裂部位在焊縫區(qū)，斷口呈45°剪切斷裂。為了進一步分析斷口的微觀形貌及斷裂性質(zhì)等特征，截取拉伸試樣的斷口，經(jīng)過超聲波清洗后，在掃描電鏡下進行微觀分析，如圖6b、6c所示。

圖6 接頭力學拉伸斷口形貌Fig. 6 Tensile fracture morphology of welded joints

拉伸加載過程中，應力導致試樣內(nèi)部位錯在晶界、相界和其它缺陷處形成位錯塞積群，在應力集中處易誘發(fā)微孔洞萌生和長大，導致頸縮和斷裂[14]。由圖6可知，焊縫的拉伸斷口呈纖維狀，表面存在大量形狀圓整、較淺的韌窩且分布相對均勻。焊接接頭斷口形貌中只發(fā)現(xiàn)極少量氣孔，且無夾雜，這表明此試驗下合金焊接接頭的強度和塑性較為優(yōu)異，綜合力學性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

1）用連續(xù)擠壓—拉拔—刮削光亮化制備工藝生產(chǎn)的RE5356焊絲質(zhì)量好，性能穩(wěn)定。試驗焊接5083鋁合金板材過程中未出現(xiàn)堵絲、斷絲等問題，且焊接接頭無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，焊縫表面成型良好。

2）焊接接頭各區(qū)域顯微組織分布較為明顯，焊縫中心為典型的急冷鑄態(tài)組織，熔合線附近為細晶區(qū)，熱影響區(qū)晶粒出現(xiàn)一定程度的粗化長大現(xiàn)象。

3）焊接接頭的硬度以焊縫為中心對稱分布，中心硬度（68 HV）最低，遠離焊縫中心硬度不斷增大，到達基材后基本處于穩(wěn)定（88 HV）。接頭力學性能較好，強度系數(shù)達92%，完全可以滿足實際焊接要求和船舶使用需求。

[1]肖亞慶，謝水生，劉靜安，等. 鋁加工技術(shù)實用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005：639-642.XIAO Yaqing，XIE Shuisheng，LIU Jing’an，et al. A Practical Handbook of Aluminum Processing Technology[M]. Beijing：Metallurgical Industry Press，2005：639-642.

[2]蹇海根，謝幸兒，尹志民，等. 鋁鎂合金板材MIG焊接接頭組織與性能研究[J]. 湖南工業(yè)大學學報，2013，27(3)：79-83.JIAN Haigen，XIE Xing’er，YIN Zhimin，et al.Microstructure and Properties of MIG Welded Joint of Aluminum Magnesium Alloy[J]. Journal of Hunan University of Technology，2013，27(3)：79-83.

[3]衛(wèi)晏華，尹志民. 鐵路列車車輛用大型鋁合金型材焊絲的選用與生產(chǎn)[J]. 有色金屬加工，2005，34(4)：21-24.WEI Yanhua，YIN Zhimin. Selection and Production of Large Scale Aluminum Alloy Profiles Wire for Railway Vehicles[J]. Nonferrous Metal Processing，2005，34(4)：21-24.

[4]黃 敏，劉 銘，張 坤，等. 鋁及鋁合金焊絲的研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 有色金屬加工，2008，37(2)：9-12.HUANG Min，LIU Ming，ZHANG Kun，et al.Research and Development of Aluminum and Aluminum Alloy Wires[J]. Nonferrous Metal Processing，2008，37(2)：9-12.

[5]CAI D T，HAN S G，ZHENG S D，et al. Plasma-MIG Hybrid Welding Process of 5083 Marine Aluminum Alloy[J]. Materials Science Forum，2016，850：519-525.

[6]WANG C G，LIU Y，WANG X M，et al. Effects of Environment Temperatures on the Microstructures and Mechanical Properties for Welding Joints of A5083-H111 Alloy[J]. Advanced Materials Research，2014，936：1701-1706.

[7]SHANKAR K，WU W. Effect of Welding and Weld Repair on Crack Propagation Behaviour in Aluminium Alloy 5083 Plates[J]. Materials and Design，2002，23(2)：201-208.

[8]SCHEMPP P，CROSS C E，HACKE R，et al.Influence of Grain Size on Mechanical Properties of Aluminium GTA Weld Metal[J]. Weld World，2013，57(3)：293-304.

[9]孟憲偉，周成候，戴忠晨，等. A5083P-O鋁合金MIG焊接接頭組織及疲勞性能研究[J]. 電焊機，2014，44(9)：144-147.MENG Xianwei，ZHOU Chenghou，DAI Zhongchen，et al. Microstructure and Fatigue Properties of MIG Welded Joint of A5083P-O Aluminum Alloy[J]. Electric Welding Machine，2014，44(9)：144-147.

[10]溫景林，丁 樺，曹富榮，等. 有色金屬擠壓與拉拔技術(shù)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007：13-14.WEN Jinglin，DING Hua，CAO Furong，et al. Non Ferrous Metal Extrusion and Drawing Technology[M].Beijing：Chemical Industry Press，2007：13-14.

[11]DUDZIK K. Influence of Joining Method for Hardness Distribution in Joints of AlZn5Mg1Alloy[J]. Journal of Kones，2010，17(14)：137-141.

[12]周慶波，張宏偉，冷金鳳，等.化學成分對5083鋁合金性能的影響[J]. 輕合金加工技術(shù)，2017，35(10)：33-34.ZHOU Qingbo，ZHANG Hongwei，LENG Jinfeng，et al. Effect of Chemical Composition on the Performance of 5083 Aluminum Alloy[J]. Light Alloy Fabrication Technology，2007，35(10)：33-34.

[13]KUO H C，WU L J. Prediction of Heat-Affected Zone Using Grey Theory[J]. Journal of Materials Processing Technology，2002，120(1/2/3)：151-168.

[14]鐘群鵬，趙子華. 斷口學[M]. 北京：高等教育出版社，2005：2-22.ZHONG Qunpeng，ZHAO Zihua. Fractography[M].Beijing：Higher Education Press，2005：2-22.

（責任編輯：申 劍）

An Analysis of Micro-Structure and Properties of Welded Joints of Annealed 5083 Aluminum Alloy

LUO Jian1，JIAN Haigen1，XU Guoxin1，SHEN Xiangxu1，QIN Kaiyang1，CHEN Zhiting1，DING Zhihui1，2
（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）

ER5356 aluminum alloy welding wire, prepared by adopting continuous extrusion drawing, scraping,and brightening technology, is to be used for MIG welding of annealed 5083 aluminum alloy, followed by a series of tests and analyses of the welding joints by means of metallographic examination, scanning, hardness and tensile tests. The experimental results show that the welding effects of the wires thus prepared are satisfactory, without such defects as cracks, inclusions, etc. The micro-structure of the welded joints is well distributed, with 68 HV the minimum hardness of welding seam center, with 277 MPa the tensile strength of welded joints , and 92.3% its strength coef fi cient,thus exhibiting such an excellent mechanical performance that it fully meets the actual welding requirement and ship usage requirement.

ER5356 aluminum alloy wire；continuous extrusion；welded joint；mechanical property

V229+.8

A

1673-9833(2017)04-0059-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2017.04.011

2017-03-15

湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項目（CX2017B696），株洲市國家自主創(chuàng)新示范區(qū)建設(shè)專項基金資助項目（20160105），湖南工業(yè)大學大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃基金資助項目（湖工大教字[2016]69）

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，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，主要從事鋁合金焊絲及其微合金化方面的研究，E-mail：jianhaigen2001@163.com