焊接工艺对6005A-T6铝合金焊接接头晶间腐蚀性能的影响

2021-07-10姜丕文贾永强林传冬金文福

有色金属材料与工程 2021年3期

姜丕文，贾永强，康铭，林传冬，金文福，孙巍

（辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003）

6000系Al-Mg-Si合金属于可热处理强化的变形铝合金，具有中等强度、良好的耐蚀性、以及良好的成形性和焊接性等综合性能，被广泛应用于航空航天、交通运输和建筑等领域[1-2]。焊接是高速列车车体集成时所采用的关键技术，焊接接头的可靠性决定着高速列车运行中车体的安全可靠性[3-6]。激光填丝焊（laser wire filler welding，LFW）具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小的特点[7-8]。冷金属过渡（cold metal transfer，CMT）焊技术是Fronius公司开发出的一种新型焊接工艺，具有高熔敷效率、低热输入和无飞溅等特点[9]。熔化极惰性气体保护（melt inert-gas，MIG）焊施焊灵活，设备便宜。这些方法在高速铝合金列车车体型材的焊接中得到了广泛应用。目前6005A-T6铝合金焊接接头的研究主要集中在焊接工艺参数、力学性能、微观组织等方面，对于焊接接头处的晶间腐蚀少有研究。

6000系铝合金虽然具有良好的耐蚀性，但若不采用适当的均匀化处理和热处理，Cu含量及Mg与Si的质量比等因素会增加合金的晶间腐蚀敏感性[10-12]。尤其在焊接过程中，由于焊接热输入的影响，合金元素多沿晶界析出，导致沿晶腐蚀[13]。所以，对不同焊接方法下的焊接接头腐蚀问题的研究十分重要。本文采用LFW、脉冲CMT焊和脉冲MIG焊方法，对6005A-T6铝合金进行焊接，分别对焊接件接头处进行晶间腐蚀实验，研究在不同焊接方法下6005A-T6铝合金焊接接头处的抗晶间腐蚀能力。

1 实验材料与方法

1.1 材料

实验选用6005A-T6铝合金板材做母材，尺寸规格为300 mm×150 mm×6 mm，焊丝选用ER5356铝镁合金，焊丝直径为1.2 mm，保护气体为氩气（质量分数为99.999%）。母材和焊材的化学成分如表1所示。

表1 母材与焊材化学成分 (质量分数/%)Tab.1 Chemical composition of the base metal and welding wires (mass fraction/%)

1.2 方法

LFW的激光发生器为TruDisk-8002碟片式激光器，激光头为HIGH-YAG BIMO可变双焦点LFW接头，采用KUKA六轴工业机器人作为LFW载体；MIG焊设备为Fronius TPS 5000半自动焊机；CMT焊设备选择Fronius CMT 5000焊机，搭载KUKA六轴工业机器人。MIG焊与CMT焊的焊接方式均选择一元化调节方式，即一个参数改变其他参数自动进行匹配。

焊接前使用气动钢丝碗刷将铝合金表面打磨出金属光泽，用酒精清除表面油污等杂质，LFW对接接头呈“I”形坡口，完成焊接单面焊双面成形，背部放有铜衬垫。CMT焊与MIG焊对接接头呈“V”形坡口，进行焊接单面焊双面成形，背部也放置非永久衬垫。

焊接工艺参数如表2～4所示。对焊接件接头处进行相同条件的晶间腐蚀处理，试剂为H2O（100 mL）、NaCl （2.1 g）和HCl （6.5 g）的混合溶液，腐蚀时间为6 h。对腐蚀后表面进行观察，并沿垂直焊缝方向锯开，测量接头处最大腐蚀深度。

表2 LFW工艺参数Tab.2 Parameters of the LFW welding

表3 CMT焊工艺参数Tab.3 Parameters of the CMT welding

表4 MIG焊工艺参数Tab.4 Parameters of the MIG welding

2 实验结果及分析

2.1 宏观形貌

对经不同腐蚀时间处理后的焊接接头处进行表面宏观观察，结果如图1所示。由图1可知，焊缝区及其两侧腐蚀程度有明显的差异，总体来看，CMT焊和MIG焊所得焊接件接头处抗晶间腐蚀性能较好，MIG焊和CMT焊的接头处和热影响区腐蚀程度较小；CMT焊较MIG焊焊缝区腐蚀程度更小，但热影响区腐蚀程度很大。3种焊接件的热影响区都存在明显的条状腐蚀坑，CMT焊和MIG焊焊缝区表面腐蚀严重，有大量小而深的腐蚀坑，由于多孔的焊缝对光的反射弱于母材，故焊缝区发黑。

图1 接头处腐蚀后的宏观形貌Fig.1 Macromorphology of the welding joints after corrosion

2.2 显微组织

使用蔡司M2m光学显微镜对焊接接头处、熔合区和热影响区进行观察，结果如图2～4所示。由图2可知，3种接头熔合线附近主要为柱状晶组织，LFW接头处组织较CMT焊和MIG焊的细小，熔合区宽度也最小，CMT焊较MIG焊熔合区宽度窄，焊缝边缘组织细小，但热影响区组织粗大。由于LFW焊接时速度快，接头经过快速熔化与凝固过程，使得组织最细小，CMT焊焊接速度较MIG焊的稍快，但其焊接电流与焊接电压要比MIG焊的大得多，因此，CMT焊的热输入要比MIG焊的大。所以CMT焊热影响区组织晶粒尺寸较MIG焊的大。

2.3 腐蚀后显微组织

使用蔡司M2m光学显微镜对焊接件的焊缝区及热影响区腐蚀情况进行观察，腐蚀深度见表5，腐蚀形貌如图5～6所示。由表5和图5～6可知：LFW较CMT焊与MIG焊接头处晶间腐蚀的深度都小；当使用MIG焊时接头处腐蚀深度最大，为121.8 μm；当使用CMT焊时热影响区的腐蚀深度最大，为542.3 μm；不同焊接方法得到的焊接件热影响区的抗晶间腐蚀能力均差。原因主要是由于LFW接头处和热影响区组织细小，所以其耐腐蚀性最强，而CMT焊较MIG焊热影响区的组织略大，导致其热影响区腐蚀深度最深。

图4 热影响区显微组织Fig.4 Microstructures of the heat affected zones

图5 焊缝区腐蚀后显微组织Fig.5 Microstructures of the welding zones after corrosion

文献[14]研究表明：对于6000系铝合金，当Mg和Si原子比小于1.73时，合金中含有过剩的Si，Si与Mg2Si相会在晶界上析出，Si与Mg2Si相附近的无沉淀析出带会先发生腐蚀，之后的腐蚀会沿着Si附近的无沉淀析出带和Mg2Si相附近的无沉淀析出带慢慢地扩展，并且过剩的Si会促使Mg2Si相附近的无沉淀析出带的阳极溶解，增加合金的晶间腐蚀倾向性。因此，在焊接件热影响区的过时效区，由于温度低于Mg和Si原子的固溶温度，此处Mg2Si相发生聚集长大，导致其抗晶间腐蚀能力最弱。