焊丝对铝合金焊接接头组织和性能影响分析

李勇

摘要：现阶段资源短缺以及环境污染问题日益严重，在满足使用需求的前提下，若果能够以铝合金替换密度与质量较高的监护材料，能够促进构件的轻量化发展。以铝合金材质制作的部件不仅有极高的强度以及抗腐蚀性，其表现出的抗冲击能力也较强。5000型铝镁合金属于AI-Mg-Si系，可进行热处理的强化合金材料，强度中等，具有较高的焊接性以及耐腐蚀性。主要被用于铁路客车、新能源客车车身的制造。本文使用熔化极惰性气体保护焊法（MIG），研究ER4834、ER5356型号焊丝对5000型铝镁合金焊接接头组织和性能影响。

关键词：焊丝；铝合金焊接；接头组织；性能分析

引言：将5000型铝镁合金为本次研究对象，使用ER4834、ER5356型号焊丝进行熔化极惰性气体保护焊接，探究不同型焊丝对5000型铝镁合金焊接接头组织和性能影响。试验结果表明，对比ER4834型号焊丝，ER5356型号焊丝焊接接头焊缝区组织更为细小，融合区的热影响组织差距不明显；两种焊丝的焊接接头硬度分布均称中心对称分布，ER5356型号焊丝的焊缝区硬度高于ER4834型号焊丝。

1. 试验材料以及试验方法介绍

1. 试验材料制备

本次试验的母材选用尺寸为300毫米*150毫米*6毫米的5000型铝镁合金板，焊丝选用直径为12毫米的ER4834焊丝以及ER5356焊丝，其化学成分组成如下表所示。

表1 试验铝镁合金板以及焊丝化学成分（质量分数，%）

材料	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Al
5000型铝镁合金板	0.67	0.17	0.16	0.28	0.53	0.18	0.04	0.04	余量
ER4834焊丝	5.21	0.19	≤0.01	≤0.01	≤0.01	≤0.01	≤0.01	≤0.01	余量
ER5356焊丝	12.11	0.17	≤0.01	≤0.01	≤0.01	≤0.01	≤0.01	≤0.01	余量

2. 试验方法分析

焊接前需将焊接接头加工为“v”字形，坡口为60°，并利用钢丝刷对母材表面进行打磨，利用酒精去除表面杂质，以提高试验精确程度。使用TPS5000型焊机进行熔化极惰性气体保护焊，焊接过程中，使用纯度大于99.99%的氩气作为保护气体，焊接两道两层^[1]。焊接工艺参数如下表所示。

表2 焊接工艺参数表

焊接方式	焊接电流（I/A）	电弧电压（U/V）	送丝速度V/（mm·s-1）	气体流量Q/（L·mm-1）	焊接速度V/（mm·s-1）
打底焊	247	23.6	8.6	21~23	7.6
盖面焊	263	23.2	9.4	21~23	8.6
填充焊	276	24.3	9.9	21~23	8.1

使用蔡司光学显微镜对焊接接头进行观察，使用AG-X 100KNH型电子试验机对材料进行横向拉伸，以ISO 4136－2001《金属材料焊缝破坏试验 横向拉伸试验》相关要求制备拉伸试样。最后使用FV-810型显微硬度计对焊接接头表面的硬度进行测试，相邻测点的距离为2毫米，如下图所示。

图1 硬度测试尺寸示意图（单位：毫米）

2. 试验结果分析

1. 焊接接头的硬度分布

依照ISO 9015－1－2001《金属材料焊接的破坏性试验 硬度试验第 1 部分: 弧焊接头的硬度试验》标准进行硬度取样测试，结果显示两种焊丝接头硬度均称中心分析，母材的硬度明显高于焊接接头的硬度，焊接接头的硬度最低点距离焊缝中心10毫米左右。但不同的是在焊缝区ER5356型号焊丝的焊缝区硬度高于ER4834型号焊丝，在热影响区两者的接头硬度不向上下。由于ER5356焊丝中Si含量高于ER4834焊丝，因此其硬度较高^[2]。

2. 焊接接头的力学性能

依照ISO 4136 － 2001《金属材料焊接的破坏试验横向抗拉试验》相关标准进行拉伸试验，试验结果如下表所示。焊缝处的强化来源于固溶强化以及细晶强化，通过上述方式能够进一步提高焊接接头的韧性以及强度。ER4834焊丝以及ER5356中均含有大量的Mg元素，保证了焊缝的固溶强化。ER5356焊丝中还含有大量的Zr元素，这种元素的结构与Al晶体结构极为相似，能够在一定程度上起到非均质晶核的作用，进而使焊缝处组织结构得到细化。两种焊丝的材质均为金属混合材质的混合金，因此为了提高试验结果的精准性，需制备多组试验材料进行试验，由试验结果可以看出两种焊丝的焊缝边缘处均呈现晶粒粗化的现象，因此可以得知，该部分可能是焊接薄弱处。

表3 两种焊接接头的力学性能

焊接接头	抗拉伸强度Rm/MPa	屈服强度ReL/MPa	断后伸长率A（%）	断口位置
ER5356焊丝	202	147	5.8	热影响区
ER4834焊丝	210	160	6.0	热影响区

由上表数据可知，两种焊丝的断口位置均在热影响区，ER5356焊丝焊接接头强度明显高于ER4834焊丝焊接接头，抗拉伸强度差值为8MPa，屈服强度差值为13MPa，断后拉长率基本相同^[3]。除此之外还能够得知热影响区的半熔接头晶体颗粒较小，这样能够保证焊接接头的力学性能，提高焊接金属部件的安全性和稳定性。

3. 焊接接头微观组织

两种焊接接头微观组织如下图所示，两种焊丝产生的焊缝区组织结构基本相似，ER5356焊丝的焊缝区结构较ER4834焊丝更为密集。融合区的组织结构与焊缝区大致想相同。热影响区的首要受热量影响，两种焊丝试验温度相同，因此无明显差别。

图2 5000型铝镁合金焊接接头显微组织（a、b、c为ER4834焊丝；e、f、g为ER5356焊丝）

4. 弯曲性能

依据ISO 5173－2009《金属材料焊缝破坏性试验 弯曲试验》相关标准对两种焊接接头进行弯曲性能的测试，为提高试验的精准性，实现对试样进行编号，试验试样以及结果如下所示。

图3 弯曲试样

表4 弯曲试验结果数据

编号	焊丝	弯曲类型	弯曲角度	压头直径（单位：毫米）	试验结果
1-1	ER4834	正面弯曲	180°	85	合格
1-2	ER4834	正面弯曲	180°	85	合格
1-3	ER4834	背面弯曲	180°	86	合格
1-4	ER4834	背面弯曲	180°	86	合格
2-1	ER5356	正面弯曲	180°	87	合格
2-2	ER5356	正面弯曲	180°	87	合格
2-3	ER5356	背面弯曲	180°	88	合格
2-4	ER5356	背面弯曲	180°	88	合格

由上表数据分析可知，两种型号焊丝的弯曲性能均达到合格水平，其原因是由于ER4834焊丝与ER5356焊丝均属于Al-Si系焊丝，且具有极佳的流动性，因此焊丝焊接后接头具有较强的延伸率，弯曲性能佳。

结论：

综上所述，ER4834焊丝接缝处组织较ER5356焊丝更为粗糙，焊缝区均呈现铸态组织，边缘是柱状晶体，中心是等轴晶体，热影响区与融合区的组织不存在明显差距。ER4834焊丝焊接接头强度明显低于ER5356焊丝焊接接头，两者断后拉长率基本相同，接头断裂位置均处于热影响区。两种焊丝的接头硬度分布情况均沿焊缝呈中心对称分布，ER5356型号焊丝的焊缝区硬度高于ER4834型号焊丝。由于ER5356焊丝中富含Zr元素，能够对焊缝组织晶粒进行细化，因此ER5356焊丝的接头晶粒较ER4834焊丝更细。

参考文献：

1. 何柔月、黄启波、崔洪波、唐鑫. 含微量铒元素Al-5.5Mg-1Zn焊丝焊接7075铝合金TIG焊缝的组织和性能[J]. 材料导报, 2020, v.34(18):129-134.

2. 靳佳霖, 徐国富, 李耀,等. 焊丝成分对6082-T6铝合金焊接接头组织和性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2020, v.30;No.250(01):7-14.

3. 熊斯, 唐鑫, 王春霞,等. 焊后热处理对Al-Mg-Zn(-Sc-Zr)合金焊丝焊接7075铝合金焊接接头组织和性能的影响[J]. 材料导报, 2019, v.33(16):93-97.