分享：工艺参数对5052铝镁合金焊缝凝固裂纹敏感性的影响

陈 毓,张天理,于 航,陈浩欣 

(上海工程技术大学 材料工程学院,上海 201620)

摘 要:采用鱼骨状裂纹试验对比研究了熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接时保护气体、焊接 电流和脉冲模式等焊接工艺参数对5052铝镁合金焊缝凝固裂纹敏感性的影响。结果表明:随焊接 电流增大和保护气体中氦气比例的增加,焊缝凝固裂纹敏感性变大;方形电流波形的双脉冲 MIG 的焊缝凝固裂纹敏感性大于单脉冲 MIG 的;晶界镁含量增加,焊缝会形成连续晶界,有利于降低焊 缝凝固裂纹敏感性。 

关键词:5052铝镁合金;保护气体;焊接电流;脉冲模式;凝固裂纹敏感性 中图分类号:TG113.26 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)04-0025-04

利用周期性变化的脉冲电流进行熔化极惰性气 体保护焊接(MIG),能够实现熔滴过渡和焊接热输 入的 有 效 控 制,扩 大 铝 合 金 MIG 的 可 焊 工 艺 窗 口[1]。在汽车零部件制造中,采用脉冲 MIG 焊接厚 度为2mm 的铝镁合金薄板,其焊宽、焊缝表面成形 良好,焊缝熔深好、过渡平滑,焊缝表面呈现银白色、 无飞溅、无表面缺陷,焊接接头断面无焊接缺陷[2]。 当前,铝镁合金脉冲 MIG 一般采用100%氩气 作为焊接保护气体,然而对于厚板焊接,焊缝熔深有 限,需要多层多道焊才能完成焊接作业,效率低下; 向氩气中加入氦气会使电弧电压增加2~3V,焊缝 熔深和熔宽会变大,提高作业效率[3]。然而,氦气的 电离势远大于氩气的电离势,因此在其他焊接工艺 参数相同时,使用氦气作为保护气体焊接会提高焊 缝热输入,导致焊缝晶粒度变大[4]。文献[5]指出, 铝镁合金非熔化极惰性气体保护电弧焊接(TIG) 中,在氩气+0.015%(体积分数,下同)氮气保护气 体中增加氦气的量,会导致裂纹扩展能的增加。然 而,氦气对铝镁合金脉冲 MIG 焊缝凝固裂纹影响却 并不清楚。同 时,MIG 中 的 脉 冲 模 式 也 应 引 起 注 意,在铝合金激光焊中,脉冲形式可以最大限度地减 小热裂纹,使凝固结束时的凝固速率适中,并在凝固 开始时施加由凝固收缩和热收缩引起的应变[6],梯 形电流波形的脉冲焊接裂纹明显比方形电流波形的 少[7],适当控制脉冲形状可以避免凝固开裂[8]。 鱼骨状裂纹试验是利用试板上不同长度沟槽形 成的不同最大拉应力来测试铝合金的凝固裂纹敏感 性。当焊接热源在试板移动时,由于熔池凝固产生 的热应力会使纵向裂纹沿焊缝中心起裂、扩展,随着 焊缝越靠近纵向沟槽,裂纹越易止裂,此时裂纹的总 长度便可作为裂纹敏感性的指标进行统计[9]。不同 材料的裂纹敏感性测试需要设计出不同合适尺寸 (高度和深度)的横向沟槽来控制焊缝的裂纹起裂过 程。笔者通过鱼骨状裂纹试验研究焊接保护气体分 别为 100% 氩 气、25% 氦 气 +75% 氩 气 混 合 气 和 50%氦气 +50% 氩 气 混 合 气 时,不 同 焊 接 电 流 下 5052 铝 镁 合 金 的 焊 缝 凝 固 裂 纹 敏 感 性;同 时 对 100%氩气焊接保护气下的脉冲模式影响进行了进 一步研究,从焊缝晶界形态和凝固过程讨论镁含量 与焊缝凝固裂纹敏感性之间的关系。

1 试验方法与试样制备 

1.1 焊接工艺设计

试验材料母材采用尺寸为140mm×300mm× 3mm 的5052铝镁合金鱼骨状试板,其化学成分如 表1所示。焊丝采用?1.2 mm 的 ER5356铝镁合 金实 芯 焊 丝,化 学 成 分 如 表 2 所 示。 分 别 使 用 100%氩气、25%氦气+75%氩气混合气体和50% 氦气+50%氩气混合气体作为焊接保护气体。焊接 电流采用两种,一种为单脉冲焊接电流,另一种为双 脉冲 接 电 流,单 脉 冲 MIG 电 流 分 别 为 130,160, 190,220A,双脉冲电流则是在单脉冲电流基础上 添加电流小于60A 的小电流,电流波形为方形波, 频率为2Hz,占空比为50%。焊接设备为松下 YD- 500FD型焊机。

1.2 鱼骨状裂纹试验方法 

使用鱼骨状裂纹试验比较不同焊接工艺下的焊缝凝固裂纹敏感性大小,鱼骨试板加工尺寸如图1 所示。焊接前,鱼骨试板采用夹持装置进行刚性固 定,夹持装置整体使用散热性较好的黄铜材料进行 冷却,并且在鱼骨试板焊缝所在位置下方处预留凹 槽;焊接后,等待焊缝冷却至室温再取出鱼骨试板; 最后使用渗透探伤方法检测焊缝凝固裂纹,焊缝凝 固裂纹长度越长代表其裂纹敏感性越大。

1.3 化学成分分析 

取鱼骨试板焊缝裂纹止裂附近金属作为待测试 样,试样的焊缝截面经砂纸粗抛后,再使用三酸电解 抛光。腐蚀剂为keller试剂,腐蚀时间90s,然后使 用日立S300型扫描电镜观察焊缝晶界,并对晶界 进行能谱扫描,分析其化学成分。

2 试验结果与分析

2.1 保护气体与焊接电流对焊缝凝固裂纹敏感性 的影响 

如图2所示,焊接保护气为100%氩气时,鱼骨 试板在不同焊接电流下形成了不同长度的焊缝凝固 裂纹。随着电流的增加,单脉冲 MIG 获得的凝固裂 纹长度从94.5mm 逐渐增加到235mm,电流变大 增加了焊缝凝固裂纹开裂的倾向。同时,当焊接保 护气为75% 氩 气 +25% 氦 气 时,随 着 焊 接 电 流 从 130A 增加到220A,单脉冲 MIG 下的焊缝凝固裂 纹长度从154mm 增加到227.5mm;当焊接保护气 为50%氩气+50%氦气时,鱼骨试板在不同热输入 下所形成的焊缝凝固裂纹长度基本趋于一致,与其 他两种焊接保护气焊接时最大凝固裂纹长度相当。 因此,焊 接 电 流 增 加 会 明 显 提 高 焊 接 保 护 气 为 100%氩气和75%氩气+25%氦气混合气时的焊缝 凝固裂纹敏感性;焊接保护气为50%氩气+50%氦 气时,焊缝凝固裂纹敏感性最差,电流增加对其影响 不大。 横向对比焊接电流一致时焊接保护气体对焊缝 凝固裂纹长度的影响。由图2可知,随氦气比例的增加,焊接电流为130A 时,焊缝凝固裂纹长度从 94.5mm 增加到154mm,进一步增加到248mm; 焊接电流为160A 时,凝固裂纹长度从138mm 增 加到204mm,进一步增加到236mm;焊接电流为 190 A 时,凝 固 裂 纹 长 度 从 147.5 mm 增 加 到 215mm,进一步增加到 228 mm。上述规律表明, 氦气的占比变大会使焊缝凝固裂纹倾向增大,这是 因为氦气的导热系数相比氩气更高。同时,氦气的 电离势也大于氩气,因此在相同的焊接工艺参数下, 使用氦气作为保护气体进行焊接会使热影响区变 大,相当于提高了焊缝的热输入[4]。此外,当焊接电 流达到220A 时,保护气体的成分对凝固裂纹长度 的影响已不明显,凝固裂纹长度基本趋于一致。 

2.2 脉冲模式对焊缝凝固裂纹敏感性的影响

焊接保护气为100%氩气时,鱼骨试板分别在 单脉冲与双脉冲模式下所获得的焊缝凝固裂纹长度 如图3所示。由图3可知,无论焊接电源是单脉冲 模式还是双脉冲模式,随着电流的增加,焊接热输入 增加,凝固裂纹普遍具有增加的趋势。其中,单脉冲 MIG 获 得 的 凝 固 裂 纹 长 度 从 94.5 mm 增 加 到 235mm;双 脉 冲 MIG 获 得 的 凝 固 裂 纹 长 度 从 150mm 增加到239mm;两种电源模式下,在焊接 电流为220A 时,焊缝凝固裂纹长度几乎趋于一致。 在单脉冲电流中添加电流小于60A 的小电流 形成双脉冲电流,其中小电流维持电弧稳定燃烧,大 电流保证焊缝具有一定熔深,通过频率控制原电流 和小电流的单位时间交替次数,能够降低焊缝单位 长度热输入,热输入降低一般能够降低铝镁合金焊 缝凝固裂 纹 敏 感 性。然 而 图 3 表 明,在 原 电 流 为 130A(小 电 流 70 A)、原 电 流 为 160 A(小 电 流 100A)和原电流为190A(小电流130A)时,双脉 冲电流获得的凝固裂纹长度大于单脉冲电流获得的;文献[7]将双脉冲电流波形进行细分,分为方形 电流波形和梯形电流波形,后者是在方形电流波形 基础上加入一组由强到弱的过渡脉冲和一组由弱到 强的过渡脉冲,两种电流波形的焊接结果显示,梯形 电流波形 MIG 的熔池振荡更为充分,熔合区的晶粒 排列紧密,裂纹敏感性明显比方形电流波形 MIG 的 小。该次试验所用的双脉冲电流波形正是方形电流 波形,大电流到小电流过渡不平缓,导致电弧对熔池 的振荡作用不明显,电流转换期间,液相无法充分填 充枝晶间隙,小电流阶段,枝晶间凝固收缩加剧,凝 固裂纹源变多,焊缝凝固裂纹敏感性更大。单脉冲 焊接热输入大,液相停留时间长,单位时间枝晶间隙 相对填充的液相更多,其焊缝凝固裂纹敏感性相比 方形电流波形双脉冲 MIG 的随之下降。 

2.3 为 焊 研 缝 究 显 焊 微 缝 组 凝 织 固 与 裂 凝 纹 固 长 过 度 程 

与显微组织的关系, 选用凝固裂纹长度为147.5mm 和235mm 的焊缝 试样进行显微组织分析。图4a)表明,凝固裂纹长 度为147.5mm 时,晶界较为连续,连续晶界有利于 低熔点共晶化合物液相补充晶体凝固收缩形成的枝 晶间隙,降低凝固裂纹敏感性。图5a)表明,凝固裂 纹长度为235mm 时,晶界呈断续状,且晶界较厚, 此类晶界表明液相在此处填充受到阻碍,凝固收缩 形成的枝晶间隙不能及时得到液相填充,更易形成 裂纹源。铝镁合金焊缝晶界为共晶β相,文献[10]指 出β相在镁含量小于3%(质量分数)时不容易从晶界 中析出,提高镁含量,沿晶界析出的β相在变形过程 中就会变成凝固裂纹的裂纹源。因此,晶界化学成分 是影响铝镁合金凝固裂纹开裂的重要因素之一。 能谱扫描结果表明,凝固裂纹长度147.5 mm 的焊缝 区 晶 界 的 镁 含 量 为 6.71% (质 量 分 数,下 同),凝固裂纹长度235mm 的焊缝区晶界的镁含量为3.92%,前者晶界镁含量多于后者。使用 Pandat 软件对两种镁含量的铝镁相图进行非平衡凝固模 拟,模拟结果显示,镁含量6.75%时的固相形成温 度低于镁含量3.92%时的,前者于629 ℃时开始形 成固相,后者于642℃时才开始形成固相,同时前者 于501 ℃时几乎完全凝固,后者于573 ℃时就几乎 完全凝固。

从 Pandat软件模拟结果中采集凝固过程的温 度t和固相质量分数fS 数据,绘制t-(fS)^ 1/2 散 点图,如图6所示。散点图中t与(fS)^ 1/2 的瞬时速 率最大值可作为铝镁合金凝固过程凝固裂纹敏感性 大小的指标,这一指标值越大,则代表凝固裂纹敏感 性越大[11-13] ;由 图 6 可 知,镁 含 量 6.71% 的 ∣ dt/ d(fS)^ 1/2 ∣ 最 大 值 小 于 镁 含 量 3.92% 的 ∣ dt/ d(fS)^ 1/2 ∣最大值,即前者凝固裂纹敏感性小于后 者,这与实际焊接情况相符。因此,晶界镁含量与焊 缝凝固裂纹敏感性有重要联系,在5052铝镁合金焊 接中,镁含量越多,凝固裂纹敏感性越小。 

3 结论

(1)使用单脉冲 MIG 焊接5052铝镁合金,在 焊接保护气氩气中添加25%氦气,其焊缝凝固裂纹 敏感性显著增加;当氦气比例增加到50%时,焊缝 凝固裂纹长度与使用其他两种焊接保护气获得的裂 纹长度趋于一致,裂纹敏感性最差。 (2)在5052铝镁合金单脉冲 MIG 中,随焊接 电流增加,焊缝凝固裂纹敏感性增大;方形电流波形 双脉冲 MIG 的焊缝凝固裂纹敏感性比单脉冲 MIG 的大。 (3)晶界镁含量与5052铝镁合金焊缝凝固裂 纹敏感性大小有关,晶界镁含量增加,有助于形成连 续晶界,5052铝合金焊缝凝固裂纹敏感性减小。

来源：材料与测试网