孙宏坤，陈毅腾 ，李 超

（1.海装驻广州地区第三军事代表室，广州，510250；2.河北科技大学，石家庄，050091）

1 前言

铝镁合金具有低密度、易焊接、耐蚀性好、易回收等特点，可以减少船体重量使船体轻量化，提高船舶的航速和稳定性，是制造中小型船舶的一种优质材料。

在实际生产中采用常规的MIG 焊、TIG 焊等方法进行船体拼板焊接时，存在生产效率较低、热输入量大、焊缝气孔倾向大等问题，并且接头容易出现软化现象，影响铝合金在船舶行业的推广使用。为了提高生产效率，通常采用增加焊接电流的方式，但电流过大会出现电弧不稳定现象，并造成过大的焊接飞溅，直接影响到焊缝成形及接头质量。对此，寻找新的高效焊接工艺，对解决铝镁合金焊缝气孔和接头软化、实现铝合金中厚板快速焊接、提高船体生产效率具有重要意义。

Tandem 型双丝脉冲MIG 焊是一种常见的双热源高效焊接方法，其前后丝焊接参数可独立设置、灵活搭配，实现多种复合工艺的组合焊接。焊接过程中，其前后丝脉冲电流一般采用频率相同而相位差180°，使得电弧干扰程度小，保证焊接过程稳定；通过调节两丝间距和工艺参数，可根据需要实现共熔池和双熔池。在前后丝共熔池条件下，两电弧共同加热一个熔池，能量密度更加集中，具有熔覆效率高、焊接变形小等特点；并且在双电弧作用力的条件下，可以延长熔池存在的时间，增强熔池的搅拌作用，加速气孔逃逸速度；前后丝熔滴交替落入熔池中，改变熔池流动方式，防止熔池液态金属向焊缝末端流动，减少气孔的逃逸距离，在保证焊缝成形优良的同时，提高焊接生产效率。

本研究采用双丝脉冲MIG 焊进行5083 铝合金平板焊接，并与常规MIG 焊接头的宏观、微观组织及力学性能进行对比分析，为船体铝合金拼板焊接提供技术依据。

2 试验材料与方法

本试验焊接母材为300 mm×100 mm×4 mm 的铝镁合金试板，采用Fronius 公司的TPS-5000 双丝焊机，前后丝采用频率相同的脉冲模式，相位差为180°；焊丝间距为7 mm，开70°V 型坡口，焊前对试板进行机械打磨至露出金属光泽，铝合金在液态时具有很好的流动性，在焊接过程中焊缝金属很容易下塌。为了保证试板完全焊透又不会塌陷，选用不锈钢制作焊接垫板，在垫板表面开一个圆弧形槽来保证焊缝的反面成型。

表1 为双丝脉冲MIG 焊和单丝脉冲MIG 焊所采用的工艺参数，双丝脉冲MIG 焊接速度快，为单丝焊的1.7 倍。

表1 焊接工艺参数

为了对单、双丝脉冲MIG 焊后接头组织及力学性能进行对比分析，分别采用徕卡体式显微镜和金相显微镜进行观察，分析两种焊接工艺下组织差异；利用显微硬度计进行接头硬度测试，对接头整体硬度分布情况进行分析；采用电子拉伸试验机（Z100THW）进行拉伸试验，并用场发射扫描电镜（ULTRA55）观察拉伸断口形貌；采用弯曲试验机进行三点弯曲试验，测定接头的抗弯曲能力。

3 焊缝形貌及金相组织分析

3.1 焊缝形貌

为了探究焊接工艺对焊缝形貌的影响，对焊缝表面成形进行分析，图1 为单丝脉冲MIG 与双丝脉冲MIG 焊的焊缝表面形貌。

图1 单、双丝焊焊缝表面形貌

从图1 可以看到：焊缝表面洁白光亮，有明显的阴极雾化区，接头整体熔合良好，无咬边等焊接缺陷；但由于单丝脉冲MIG 焊热输入较大，导致试板变形严重，在背面有液态金属淌出而导致部分位置出现焊缝边缘凸起；根据国际标准ISO10042 评定，单、双丝焊焊接接头外观尺寸均符合要求，采用X 射线对焊缝进行探伤，双丝脉冲MIG 焊接头无内部缺陷，满足一级焊缝要求，而单丝脉冲MIG 焊接头存在链状气孔缺陷，主要分布在焊缝中间部位。

3.2 金相组织

（1）宏观组织

利用体式显微镜对接头宏观金相进行观察，单丝焊和双丝焊接头宏观组织，分别如图2 a）和2 b）所示。

图2 焊接接头宏观金相组织

① 两种焊接工艺下接头的余高、熔宽等焊缝成形参数差别不大，这是由于双丝脉冲MIG 焊接时，前后相互借用，前丝脉冲电弧具有较强的熔透能力，可以增加焊缝熔深和熔宽，并对后丝起到预热作用；后丝电弧及时对焊缝上部进行材料填充，增加熔宽尺寸，双丝脉冲MIG 焊在热输入较低的情况下，具有与单丝MIG 焊尺寸相近的焊缝成形效果；

② 单丝MIG 焊的焊缝表层存在一层密集型气孔，焊趾部位也存在少量气孔，最大尺寸达到500 μm；双丝焊接头无明显的宏观气孔，这是由于双丝焊时前后丝同时提供热量，热量密度更大；前丝采用大电流，对熔池有较大的冲击力，在液态金属未凝固之前，后丝及时对焊缝上层进行填充，高温停留时间较长，前后丝形成同一个熔池，使熔池沿焊接方向被拉长，可以增加气孔的逸出时间；双丝焊熔池存在向外流动和推拉模式，可以减少液态金属向焊缝末端流动，缩短气孔的外逸距离，使气孔能够及时逸出，有效减少接头中的气孔缺陷；

（2）微观组织

对接头宏观金相试样进行打磨抛光，利用电化学腐蚀着色，单、双丝脉冲MIG 焊接头微观组织，如图3 所示。

图3 焊接接头微观金相组织

① 两种接头在焊缝中心均呈树枝状等轴晶，双丝MIG焊焊缝中心组织致密，平均晶粒尺寸115 μm左右，而单丝MIG 焊平均晶粒尺寸132 μm 左右，大于双丝脉冲MIG 焊晶粒，这是由于单丝MIG 焊热输入较高，晶粒有较长的生长时间；

② 在熔合线附近存在较大的温度梯度，晶粒极易在焊缝边界原有的质点上垂直于熔合线向中心生长，形成粗大的柱状晶组织；

③ 在单丝MIG 焊时焊接温度梯度更大，导致柱状晶组织更为明显，在长度方向上长达500 μm；而双丝焊焊缝中的柱状晶组织长度明显减小；单丝焊和双丝焊的热影响区材料不发生熔化，微观组织经过回复和重结晶后晶粒发生细化，与图3 g）母材的纤维状组织有显著差别。

4 焊接接头力学性能分析

4.1 显微硬度

显微硬度曲线可以直观的反映焊接接头的整体硬度变化情况。试验中，在接头横截面中心线测试硬度，选择500 g 恒定载荷，加载时间10 s，相邻硬度点测量间距为0.5 mm。

图4 为两种焊接工艺的接头硬度分布曲线。

图4 显微硬度分布曲线

（1）单丝脉冲MIG 焊与双丝脉冲MIG 焊接头具有相同的硬度变化规律，焊缝中心显微硬度值最低，硬度值在61.5 HV 左右。这与Mg 元素蒸发导致含量减少有关，基体中β（MgAl）相数目下降，固溶强化效果下降，同时焊缝中心为粗大的等轴晶；

（2）随着距焊缝中心距离的增加，在到达熔合线之前，硬度值逐渐增大；

（3）在接头热影响区发生软化现象，这是由于在焊接热循环作用下，发生重结晶后失去了变形加工的强化效果，弥散强化的β（MgAl）相析出不足，主要强化相为(FeMn)Al相，大多呈片状偏聚分布，强化效果较弱。

（4）对比单丝焊与双丝焊热影响区的显微硬度可以发现：双丝脉冲MIG 焊热影响区范围略小于单丝焊范围；显微硬度在距焊缝中心15 mm 时达到与母材相同的硬度值；单丝脉冲MIG 焊接头在距焊缝中心6 ～13 mm 处软化现象最严重，最小硬度值为63.5 HV；双丝脉冲MIG 焊接头在距焊缝中心5～11 mm 处软化现象最严重，最小硬度值为65.2 HV，软化最严重部位硬度值仍高于焊缝中心；双丝脉冲MIG 焊热输入量较低，能量密度更为集中，可以改善接头的软化问题。

4.2 拉伸性能

进行焊接接头拉伸试验，分析单、双丝脉冲MIG焊接头在拉伸性能上的差异。采用3 个拉伸试件为一组，取平均值作为接头的抗拉强度，拉伸试样如图5所示。

图5 拉伸试样断后宏观形貌

（1）双丝焊接头抗拉强度略高于单丝焊强度，两者均满足规范要求；

（2）两种焊接工艺接头的屈服强度和延伸率相差不大；

（3）单丝MIG 焊接头气孔主要分布在余高及焊趾部位，在进行拉伸试验之前，拉伸试样根据标准对余高进行了打磨，因此焊接气孔对拉伸性能没有造成影响；

（4）拉伸试件断裂位置均在焊缝中心，断裂部位有缩颈现象，拉伸断口与试样呈45°剪切断裂.这是由于焊缝中心晶粒粗大、硬度值最低，是整个接头力学性能最薄弱的区域；

（5）由图6 单丝焊与双丝焊的拉伸断口扫描图片看出，等轴状韧窝在拉伸试件断口表面均匀分布，接头呈现韧性断裂，在单丝MIG 焊的拉伸断口扫描照片上未发现气孔缺陷。

图6 拉伸试样断口形貌

4.3 弯曲性能

为了检测单、双丝MIG 焊接头的抗弯曲能力，对接头进行三点弯曲试验：

（1）依据试验标准，当试板厚度不大于6 mm 时，一组试样由两个正弯试样和两个背弯试样组成，弯心直径为35 mm；

（2）在进行弯曲试验之前，去除焊缝余高。弯曲试验结果表明，所有试件弯曲性能合格；

（3）当弯曲试样角度达到180°时，单丝脉冲MIG 焊接头正弯试样出现微裂纹，尺寸在1 mm 左右，主要分布在焊缝中心，可能是由于存在气孔缺陷导致，双丝脉冲MIG 焊正弯与背弯试样均保持完好，没有缺陷产生。

5 结论

（1）与单丝脉冲MIG 相比，双丝脉冲MIG 焊进行船体拼板焊接，可以减少焊缝气孔缺陷，接头成形良好，生产效率显著提高；

（2）与单丝焊相比，双丝脉冲MIG 焊熔合线附近柱状晶组织区域显著减小，热影响区软化问题略有改善；

（3）两种焊接工艺下，拉伸断裂位置均为焊缝中心，抗拉强度满足规范要求，双丝MIG 焊接头弯曲试样的抗弯性能更好。