摘"要： 針對25 mm船用5083厚板鋁合金MIG焊，焊接難度大，接頭性能不達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)未熔合、未焊透、大量氣孔的問題.經(jīng)過對焊接接頭宏觀斷口，力學(xué)性能，宏觀金相等進(jìn)行分析.研究通過焊前打磨并預(yù)熱至150 ℃，打底焊焊接電流提高到170～180 A，層間焊接電流提高到210～230 A，坡口增大至90°，增加焊接道數(shù)至27～28道，對稱施焊，采用高純度保護(hù)氣體等措施改進(jìn)工藝.通過改進(jìn)工藝，經(jīng)過無損檢測、拉伸、彎曲、金相發(fā)現(xiàn)焊接接頭缺陷大大減少，焊接接頭拉伸性能提高57.6%，展現(xiàn)出良好的性能，符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊接接頭強(qiáng)度下降，是因?yàn)樵诤附舆^程中，焊接接頭受熱循環(huán)影響，熱影響區(qū)形變強(qiáng)化減弱.焊縫中心焊接熱輸入導(dǎo)致熔池Mg元素?zé)龘p，焊縫組織β強(qiáng)化相減少，出現(xiàn)焊接接頭軟化現(xiàn)象.

關(guān)鍵詞： 厚板鋁合金；MIG焊；焊接缺陷；工藝改進(jìn)；焊接接頭軟化

中圖分類號：TG44"""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""""文章編號：1673-4807（2024）04-036-07

Research on MIG welding process and performance of thickplate 5083 aluminum alloy

GAO Xiang1， XU Xiangping 1*， LIU Zhaolong2， LIU Kun1， ZOU Jiasheng1

（1.School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co. LTD.， Shanghai 200137， China）

Abstract：This research is aimed at MIG welding of 25 mm marine 5083 thick plate aluminum alloy. The welding is difficult， the joint performance is not up to standard， and there are problems of incomplete fusion， incomplete penetration and a large number of pores. After analyzing the macroscopic fracture， mechanical properties and macroscopic metallurgy of the welded joint， we study the effects on improving the process of measures such as grinding and preheating to 150 ℃ before welding， carrying out symmetrical welding， using high-purity shielding gas， and increasing the welding current of backing welding to 170～180 A， the welding current between layers to 210～230 A， the groove to 90°， and the number of welding passes to 27～28. After the improvement of the process， through non-destructive testing， stretching， bending， and metallography， it is found that the defects of the welded joints are greatly reduced， and the tensile properties of the welded joints are increased by 57.6%， showing good performance and meeting production standards. According to the experimental results， it is found that the strength of the welded joint decreases because the welded joint is affected by the thermal cycle during the welding process， and the deformation strengthening of the heat-affected zone is weakened. The welding heat input in the center of the weld leads to the burning of the Mg element in the molten pool， the reduction of the β-strengthening phase of the weld structure， and the softening of the weld joint.

Key words：thick plate aluminum alloy， MIG welding， welding defects， process improvement， softening of welded joint

隨著全球交通工具輕量化發(fā)展，鋁合金在船舶工業(yè)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用.鋁合金具有比重和彈性模量小，耐腐蝕性好，加工性好，無磁性和低溫性能好等特點(diǎn)［1-2］，以5083為代表的Al-Mg合金在船舶行業(yè)中應(yīng)用廣泛.對于鋁合金常見的焊接方法有：TIG、MIG、攪拌摩擦焊等［3-5］.熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）的焊接質(zhì)量好且焊接生產(chǎn)率高，是鋁合金材料的主要焊接方法.

文獻(xiàn)［6］針對40 mm厚的5083-H112鋁合金板.鋁的導(dǎo)熱性好，焊接時(shí)就需要高的熱輸入.鋁鎂合金易氧化形成氧化鋁薄膜，降低焊接穩(wěn)定性，還會阻礙基體和填充金屬的熔合.文獻(xiàn)［7］研究顯微組織和析出相的這些有利作用導(dǎo)致了顯微硬度的提高.文獻(xiàn)［8］研究厚板鋁合金由于多層多道焊會導(dǎo)致焊接變形大的問題.文獻(xiàn)［9］對6082與5083進(jìn)行MIG對接，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)由細(xì)小的胞狀樹枝晶和等軸晶構(gòu)成，熔合線附近為粗大的柱狀晶.文獻(xiàn)［10］對以20 mm厚的高強(qiáng)鋁合金進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)MIG焊接頭抗拉強(qiáng)度只有母材的60％.文獻(xiàn)［11］對TIG焊和CMT接頭進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度分別為母材抗拉強(qiáng)度86％和93％.

厚板鋁合金MIG焊接相比于薄板焊接難度更大，厚板鋁合金焊接容易產(chǎn)生氣孔、未熔合、未焊透等質(zhì)量問題，導(dǎo)致生產(chǎn)不合格，降低生產(chǎn)效率.并且存在著焊接接頭軟化，焊接變形大的問題.文中針對厚板鋁合金常見的焊接缺陷，采用常見的25 mm船用5083合金作為研究對象，針對實(shí)際生產(chǎn)問題，探究厚板5083鋁合金的MIG焊接問題.通過改進(jìn)焊接工藝，實(shí)現(xiàn)焊接接頭缺陷大量減少，接頭性能改善，并且探究了焊接接頭軟化的原因，對指導(dǎo)船用厚板鋁合金的焊接具有重要意義.

1"試驗(yàn)

1.1"試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用母材為25 mm 5083-H116鋁合金.試驗(yàn)焊接材料為Φ1.2 mm的美國林肯SuperGlaze5183，化學(xué)成分見表1.焊接所用設(shè)備為Fronius TPS4000，試板尺寸為450 mm×350 mm×25 mm，分別進(jìn)行橫焊立焊：A（H）、B（V）.

1.2"試驗(yàn)方法

對試板進(jìn)行橫焊A（H）和立焊B（V），根部間隙0～1 mm，鈍邊1～2 mm.對焊接后試板A（H）、B（V）進(jìn)行焊后滲透檢測（PT），根據(jù)CB/T 3558-2011X進(jìn)行射線檢測（RT），焊后采用線切割沿垂直焊縫方向截取金相試樣，打磨、拋光后使用Keller試劑腐蝕15 s，利用蔡司光學(xué)顯微鏡分析研究接頭的顯微組織.拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T2651-2008規(guī)定，制備2組拉伸試樣.彎曲試驗(yàn)根據(jù)GB/T2653-2008規(guī)定，制備4組側(cè)彎試樣.硬度試驗(yàn)根據(jù)GB/T4340.1-2009采用德國KB 30S顯微硬度計(jì)測量垂直于焊縫方向的顯微硬度分布，加載力為2 kg，保載時(shí)間為15 s.采用XRD-6000型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析，掃描速率2 °/min，掃描區(qū)間為20°～90°.采用掃描電子顯微鏡GeminiSEM 450觀察微觀組織、析出相，利用電鏡配備的能譜儀（EDS）分析主要元素.

2"試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1"焊接缺陷

焊后進(jìn)行無損檢測（PT、RT），結(jié)果顯示兩試板均不合格，均為Ⅴ級焊縫，均有超過累計(jì)長度的條形缺陷和大量圓形缺陷，根據(jù)《材料與焊接規(guī)范》（2021），對所取的試件進(jìn)行拉伸、彎曲、宏觀斷面、宏觀金相4項(xiàng)測驗(yàn).拉伸彎曲結(jié)果見表2，拉伸結(jié)果均小于275 MPa，進(jìn)行側(cè)面彎曲試驗(yàn)，壓頭直徑D=60 mm，彎曲180°，彎曲過程中出現(xiàn)大量裂紋，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致彎曲試樣斷裂.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，鋁合金彎曲受拉面裂紋長度不應(yīng)超過3 mm的開口缺陷.對拉伸試樣焊縫斷面宏觀觀察，如圖1可以看到焊縫斷面存在未焊透，未熔合缺陷.因此判斷，兩試板不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，需要分析問題，并針對問題進(jìn)行焊接工藝改進(jìn).

焊后對宏觀金相進(jìn)行觀察，如圖2，可以看出焊接接頭存在大量未熔合、未焊透，通過圖像處理軟件對金相氣孔率統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)氣孔率為1.42%.大量缺陷導(dǎo)致了接頭強(qiáng)度低，力學(xué)性能差.

2.2"缺陷產(chǎn)生分析以及試驗(yàn)方案改進(jìn)措施

鋁合金熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要是氫氣孔，氫的來源是弧柱氣氛中的水分和焊接材料以及母材所吸附的水分，氧化鋁具有很強(qiáng)的吸附性，由于零件以及焊絲表面存在的帶水氧化膜以及一些雜質(zhì)，加之鋁合金的導(dǎo)熱性比較強(qiáng)，熔池凝固速度較快.因此鋁合金焊接過程中較容易產(chǎn)生鏈狀氣孔，氫在鋁中的溶解度如圖3.

由于鋁合金密度小，氣體的漂浮速度慢，熔池中形成的氫氣泡無法逸出，最后形成了氣孔.觀察宏觀金相，鋁合金進(jìn)行多層多道焊的時(shí)候，焊道表面存在鏈狀氣孔，氣孔易引起應(yīng)力集中，破壞焊縫金屬的致密性，減小焊縫有效截面，降低焊縫力學(xué)性能，尤其是焊縫的彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性［13］.

鋁合金焊接，由于鋁合金的比熱容、熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于鋼，焊接過程中的熱量會迅速耗散到母材中，針對厚板鋁合金，散熱過程尤為迅速，如熱輸入不夠會導(dǎo)致出現(xiàn)未熔合未焊透，且因未焊透引起應(yīng)力集中嚴(yán)重降低焊縫疲勞強(qiáng)度；未焊透在一定條件下可能成為脆性斷裂的裂紋源，這對焊接接頭的性能影響是致命的.

根據(jù)鋁合金的焊接性，提出了如下改進(jìn)措施：

（1）減少氫的來源.焊前進(jìn)行機(jī)械清理鋁合金表面氧化膜，將坡口兩側(cè)20～30 mm處打磨至光亮.在焊接過程中，空氣濕度應(yīng)小于70%，風(fēng)速小于2 m/s，并且采用99.99%高純度氬氣.

（2）增加焊接熱輸入.熔焊熱量不夠，各焊道之間以及X型坡口根部未熔合；而且熔池凝固過快，氣泡來不及上浮，逸出熔池，出現(xiàn)大量表面氣孔.因此增加焊前預(yù)熱，環(huán)境溫度不得低于5 ℃，根據(jù)焊接手冊［14］，對于Al-Mg合金，預(yù)熱溫度可選用100～150 ℃.焊前預(yù)熱有利于延長熔池存在時(shí)間，便于氫氣泡逸出，減少氣孔［12，15］，確定為預(yù)熱溫度為150 ℃.采用更大的熱輸入，焊接參數(shù)如表3，將打底焊焊接電流由160～170 A提高到170～180 A，將層間焊道焊接電流由150～160 A提高到210～230 A.

（3） 增大X型坡口.從宏觀金相觀察可得，在鋁合金多層多道焊過程中，存在焊縫金屬和母材，焊道金屬之間未完全融化結(jié)合，X型坡口接頭根部未完全熔透的的現(xiàn)象.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，擴(kuò)大X型坡口，將角度擴(kuò)大到90°，如圖4.

增大坡口角度，氣孔缺陷數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢，坡口角度相同時(shí)，增加鈍邊高度，氣孔缺陷增加［16］，因此保證鈍邊高度在1～2 mm.因?yàn)殁g邊高度較大，坡口角度較小時(shí)，焊接形成的液態(tài)熔池較小，熔池凝固速度大，不利于液態(tài)熔池內(nèi)部氣泡逃逸而在凝固階段禁錮在焊縫中［17］.隨著坡口的增大，增加焊接道數(shù)，由之前的13～14道增加至27～28道，對稱施焊，有利于減少焊接變形，施焊順序如圖4.增加焊接道數(shù)，保證各道之間充分熔合.

2.3"方法改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果

通過對焊接工藝改進(jìn)，無損檢測PT表面無裂紋、咬邊、凹坑等、RT顯示兩次均為Ⅰ級片合格.

并對其進(jìn)行力學(xué)性能檢測，發(fā)現(xiàn)側(cè)彎試件滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，表面沒有出現(xiàn)超過3 mm的缺陷，如圖5.拉伸試樣抗拉強(qiáng)度也超過5083對接接頭抗拉強(qiáng)度275 MPa要求，試驗(yàn)結(jié)果見表4，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的90%，表明厚板鋁合金改進(jìn)設(shè)計(jì)達(dá)到要求.

如圖6，根據(jù)接頭宏觀金相照片觀察得，通過焊前預(yù)熱，改進(jìn)X型坡口，增大熱輸入，有效減少了焊縫缺陷，沒有發(fā)現(xiàn)未熔合未焊透.雖然隨著焊道的增加，鏈狀氣孔數(shù)量變多，但是對金相氣孔率統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，氣孔率大大下降，改進(jìn)前氣孔率1.42%，改進(jìn)后氣孔率僅有0.69%.與此同時(shí)大氣孔的數(shù)量也急劇減小，轉(zhuǎn)而代替的是細(xì)小而彌散的氣孔，使接頭的力學(xué)性能大大改善.

2.4"硬度以及顯微組織分析

分別對低熱輸入（改進(jìn)前）和高熱輸入（改進(jìn)后）進(jìn)行維氏顯微硬度試驗(yàn)，打點(diǎn)位置以及打點(diǎn)數(shù)量如圖7，從圖8中可以看出，接頭各個(gè)部分的組織硬度基本以焊縫中心為軸對稱分布.5083作為非熱處理鋁合金，母材的硬度大概在90～100 HV2，

進(jìn)入熱影響區(qū)之后硬度逐漸下降，在靠近母材處，有些組織還是保持形變強(qiáng)化的軋制態(tài)特征，隨著靠近焊縫（熔合線），發(fā)生了低溫回火現(xiàn)象，有些已經(jīng)不具備軋制態(tài)纖維狀特征，硬度有所下降［18］；越靠近熔合線，硬度繼續(xù)下降，形變強(qiáng)化的效果進(jìn)一步降低.焊縫中心的硬度值最低，由于熔池中的經(jīng)歷了高溫冶金過程，Mg等低熔點(diǎn)元素成為金屬蒸氣并逸出熔池，導(dǎo)致在高溫?zé)嵫h(huán)中燒損［19-20］，Mg的燒損減少導(dǎo)致冷卻后相變形成β強(qiáng)化相減少，固溶強(qiáng)化作用減弱，硬度值較低，焊縫中也不存在母材的形變強(qiáng)化，鋁合金焊縫強(qiáng)度較母材較低.

隨著熱輸入的增大，焊接接頭各區(qū)域硬度值下降，強(qiáng)度降低；對比焊縫根部和焊縫表面的硬度值可知，焊縫表面的硬度值低于焊縫根部，是由于在焊接時(shí)焊縫根部焊接道數(shù)較少，母材的溫度較低，焊縫冷卻速度大，熔池凝固速度快；而對于焊縫表面來說，由于多層多道，前道的余熱使后道的熔池保存時(shí)間過長，導(dǎo)致了熔池Mg元素?zé)龘p情況加重，使硬度降低，因此應(yīng)該控制層間溫度，層間溫度應(yīng)低于50 ℃，鋁合金的接頭軟化現(xiàn)象受熱輸入量影響較大.從拉伸試驗(yàn)斷裂在焊縫可以看出，焊接過程中的熱輸入，使焊接接頭成為薄弱部分.

由圖9 XRD分析結(jié)果可得，5083母材主要的相組成為α-Al+Al0.7Fe3Si0.3，焊縫主要相組成為α-Al+AlN+Al0.7Fe3Si0.3.

有明顯的軋制流線，上面分布著細(xì)小的沉淀相Al0.7Fe3Si0.3［21］，結(jié)合Al-Mg相圖分析主要為α-Al和β-Al3Mg2 ［22］，圖10（b）熔合線附近，熱影響區(qū)發(fā)生退火過程，原本變形強(qiáng)化的組織經(jīng)歷退火過程，原本拉長纖維扁平狀特征消失，強(qiáng)度下降，晶粒熱影響區(qū)會有一定程度的粗化.

焊縫區(qū)發(fā)生非平衡凝固，組織與鋼焊縫區(qū)有所不同，表現(xiàn)為雜亂無序的鑄態(tài)樹枝晶結(jié)構(gòu).對于鋁而言，由于鋁在高溫熔化后流動性好，難以形成規(guī)則柱狀晶［23-24］.Mg元素?zé)龘p，導(dǎo)致β相減少，影響焊縫的性能.

對焊縫以及母材進(jìn)行分析，如圖11，強(qiáng)化相彌散分布在基體，并對母材焊縫基體以及強(qiáng)化相進(jìn)行EDS分析如表5，發(fā)現(xiàn)在組織中，主要元素為Al、Mg，Mg元素在析出相中含量更高.

3"結(jié)論

（1） 焊前預(yù)熱，增加焊接熱輸入，增大坡口角度，增加焊接道數(shù)，可以避免鋁合金出現(xiàn)未熔合未焊透的缺陷，有利于氫氣從熔池中逸出，可以有效減少焊縫中的氣孔，對稱施焊，減小焊接變形.

（2） 焊前打磨，并預(yù)熱至150 ℃，打底焊焊接電流170～180 A，層間焊接電流210～230 A，X型坡口90°，焊接道數(shù)27～28道，采用99.99%高純度氬氣.

（3） 經(jīng)過分析，改進(jìn)焊接工藝后，焊接接頭的性能大幅度提升，無損檢測以及力學(xué)性能檢測均符合生產(chǎn)要求.

（4） 5083鋁合金在焊接過程中，熱循環(huán)導(dǎo)致熱影響區(qū)著靠近焊縫（熔合線），發(fā)生了低溫回火現(xiàn)象，強(qiáng)度下降.焊縫區(qū)焊接接頭組織細(xì)小均勻，Mg元素?zé)龘pβ強(qiáng)化相減少，導(dǎo)致出現(xiàn)接頭軟化的現(xiàn)象.

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（責(zé)任編輯：顧琳）