姜丕文，康 銘，鄧 鑫，周金旭，林相遠(yuǎn)

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

近年來，環(huán)境污染和能源短缺問題日益突出。在充分滿足使用要求的前提下，如果能夠大量采用鋁合金代替鋼鐵等密度較大的金屬材料，可以使構(gòu)件輕量化[1-2]，因此鋁合金得到廣泛應(yīng)用。鋁合金材料制造的汽車車身板，要求既具有一定的強(qiáng)度性能，又具有良好的沖壓成形性能，還要具有良好的焊接性能、抗腐蝕性能[3]。6005A鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，具有中等強(qiáng)度、較好的擠壓成形性、良好的耐腐蝕和焊接性[4]，6005A鋁合金主要用于新能源汽車、城鐵客車、鐵路客車，尤其是高速動車組的車體制造。鋁合金焊接技術(shù)主要包括熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)、攪拌摩擦焊、激光焊和激光復(fù)合焊等[5]。本文采用MIG焊方法，研究不同4xxx系焊絲材料對6005A-T6鋁合金焊接接頭的組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑?005A-T6鋁合金擠壓板材，尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，選用ER4043和ER4047鋁合金焊絲，直徑為Φ1.2 mm，母材和焊材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 母材與焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

焊前將接頭加工為單面V型70°坡口，并用氣動鋼絲刷將鋁合金表面打磨出金屬光澤，用酒精清除表面油污等雜質(zhì)。使用福尼斯TPS5000焊機(jī)進(jìn)行MIG對接焊接，保護(hù)氣體為氬氣(純度不小于99.99%)，焊接兩層兩道。焊接參數(shù)為：打底焊接，焊接電流150A，焊接電壓21.1V，焊接速度6.1mm/s，氣體流量20L/min～25L/min，電弧特性+2；蓋面焊接，焊接電流165A，焊接電壓22.3，焊接速度6.7mm/s，氣體流量20L/min～25L/min，電弧特性0。

使用蔡司M2m光學(xué)顯微鏡對焊接接頭不同位置進(jìn)行金相觀察，使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，加載速率10 mm/min，依據(jù)ISO 4136-2001《金屬材料焊縫破壞試驗(yàn) 橫向拉伸試驗(yàn)》要求制備試樣，拉伸試樣厚度為6 mm，每組測試2個試樣，取平均值作為測試結(jié)果。使用島津AG-X 100KNH型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對焊接接頭進(jìn)行正面彎曲和背面彎曲試驗(yàn)，依據(jù)ISO 5173-2009《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 彎曲試驗(yàn)》要求制備試樣，每組測試2個試樣，彎曲試樣厚度也為6 mm。使用FV-810型維氏顯微硬度計對焊接接頭的近上表面進(jìn)行硬度測試，測試點(diǎn)從母材一側(cè)經(jīng)過熱影響區(qū)、焊縫區(qū)至焊縫另一側(cè)母材，相鄰測點(diǎn)距離為2 mm，如圖1所示。

圖1 硬度測試尺寸圖(mm)Fig.1 Dimension of hardness test (mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織

圖2為兩種焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織形貌。

(a)(b)(c)ER4043焊絲；(e)(f)(g)ER4047焊絲圖2 6005A鋁合金焊接接頭的顯微組織Fig.2 Microstrure of 6005A aluminum alloy welded joint

兩種焊接接頭焊縫區(qū)組織形貌相近，都是典型的鑄態(tài)組織特征，焊縫區(qū)邊緣為柱狀晶，中心區(qū)域?yàn)榈容S晶，晶界處黑色組織為低熔點(diǎn)共晶物和共晶體，ER4047焊縫區(qū)組織較ER4043焊縫區(qū)組織更細(xì)化；熔合區(qū)與熱影響區(qū)組織相同。分析原因?yàn)椋珽R4047中Si含量約為12%，ER4043中Si含量約為5%，ER4047的Si含量要比ER4043的Si含量高，在焊縫凝固過程中ER4047會形成更多的低熔點(diǎn)共晶物和共晶體，阻礙了晶粒的長大，焊縫區(qū)組織就更加細(xì)化；而熔合區(qū)與熱影響區(qū)主要受焊接熱輸入的影響而發(fā)生改變，因此無明顯差別。

2.2 拉伸性能

按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 4136-2001《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 橫向拉伸試驗(yàn)》對焊接接頭進(jìn)行拉伸測試。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 拉伸試樣Fig.3 Tensile specimen

其中，母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度均為270MPa，焊材為ER4043時，抗拉強(qiáng)度203MPa，斷裂位置為熱影響區(qū)，延伸率A50為11.4%，接頭系數(shù)0.75；焊材為ER4047時，抗拉強(qiáng)度206MPa，斷裂位置為熱影響區(qū)，延伸率A50為12.3%，接頭系數(shù)0.76。結(jié)果表明，ER4043與ER4047焊接接頭抗拉強(qiáng)度差別不大，約為205 MPa，斷裂位置均在距離熔合線約6 mm處的熱影響區(qū)，焊接接頭系數(shù)均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的接頭系數(shù)(0.6)，滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 15614-2的要求。分析認(rèn)為兩種焊絲的焊接接頭斷裂于受熱影響區(qū)的過時效區(qū)，此處受焊接熱的影響晶粒發(fā)生長大，強(qiáng)化相發(fā)生聚集，因此強(qiáng)度較低；兩種接頭的母材一樣，因此強(qiáng)度也無明顯差別。

2.3 彎曲性能

按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 5173-2009《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 彎曲試驗(yàn)》對焊接接頭進(jìn)行彎曲測試。彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表2和圖4所示。結(jié)果表明，ER4043與ER4047的焊接接頭彎曲性能良好，彎曲試驗(yàn)合格，滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 15614-2的要求。分析認(rèn)為ER4043與ER4047焊絲屬于Al-Si系焊絲具有良好的流動性，且焊后接頭都具有較高的延伸率，因此彎曲性能良好。

表2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖4 彎曲試樣Fig.4 Bending specimen

2.4 接頭硬度

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ISO 9015-1-2011《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 硬度試驗(yàn)第1部分：弧焊接頭的硬度試驗(yàn)》取樣并進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，兩種焊絲焊接接頭硬度分布均沿焊縫中心對稱分布，硬度最低值出現(xiàn)在距離熔合線約6 mm處的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)的軟化程度相當(dāng)，在焊縫區(qū)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的焊縫區(qū)有更多的單質(zhì)Si、低熔點(diǎn)共晶物和共晶體，因此ER4047接頭的焊縫區(qū)硬度更高。

圖5 焊接接頭顯微硬度分布圖Fig.5 Microhardness distribution curves of welded joint

3 結(jié)論

(1)ER4047焊絲焊接接頭焊縫區(qū)組織較ER4043的細(xì)小，焊縫區(qū)都是鑄態(tài)組織，邊緣為柱狀晶，中心為等軸晶，熔合區(qū)與熱影響區(qū)組織無明顯差別。

(2)ER4043與ER4047焊絲的焊接接頭抗拉強(qiáng)度與延伸率差別不大，均為205MPa和12%左右，接頭斷裂位置都在熱影響區(qū)。

(3)ER4043與ER4047兩種焊絲焊接接頭硬度分布均沿焊縫中心對稱分布，ER4047的焊縫區(qū)硬度要高于ER4043焊縫區(qū)的硬度，熱影響區(qū)硬度差別不大，兩種接頭硬度最低值都在距離熔合線約6mm處的熱影響區(qū)過時效區(qū)。