陳 毓,張天理,于 航,陳浩欣 

(上海工程技術(shù)大學 材料工程學院,上海 201620)

摘 要:采用魚骨狀裂紋試驗對比研究了熔化極惰性氣體保護焊(MIG)焊接時保護氣體、焊接 電流和脈沖模式等焊接工藝參數(shù)對5052鋁鎂合金焊縫凝固裂紋敏感性的影響。結(jié)果表明:隨焊接 電流增大和保護氣體中氦氣比例的增加,焊縫凝固裂紋敏感性變大;方形電流波形的雙脈沖 MIG 的焊縫凝固裂紋敏感性大于單脈沖 MIG 的;晶界鎂含量增加,焊縫會形成連續(xù)晶界,有利于降低焊 縫凝固裂紋敏感性。 

關(guān)鍵詞:5052鋁鎂合金;保護氣體;焊接電流;脈沖模式;凝固裂紋敏感性 中圖分類號:TG113.26 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)04-0025-04

利用周期性變化的脈沖電流進行熔化極惰性氣 體保護焊接(MIG),能夠?qū)崿F(xiàn)熔滴過渡和焊接熱輸 入的 有 效 控 制,擴 大 鋁 合 金 MIG 的 可 焊 工 藝 窗 口[1]。在汽車零部件制造中,采用脈沖 MIG 焊接厚 度為2mm 的鋁鎂合金薄板,其焊寬、焊縫表面成形 良好,焊縫熔深好、過渡平滑,焊縫表面呈現(xiàn)銀白色、 無飛濺、無表面缺陷,焊接接頭斷面無焊接缺陷[2]。 當前,鋁鎂合金脈沖 MIG 一般采用100%氬氣 作為焊接保護氣體,然而對于厚板焊接,焊縫熔深有 限,需要多層多道焊才能完成焊接作業(yè),效率低下; 向氬氣中加入氦氣會使電弧電壓增加2~3V,焊縫 熔深和熔寬會變大,提高作業(yè)效率[3]。然而,氦氣的 電離勢遠大于氬氣的電離勢,因此在其他焊接工藝 參數(shù)相同時,使用氦氣作為保護氣體焊接會提高焊 縫熱輸入,導致焊縫晶粒度變大[4]。文獻[5]指出, 鋁鎂合金非熔化極惰性氣體保護電弧焊接(TIG) 中,在氬氣+0.015%(體積分數(shù),下同)氮氣保護氣 體中增加氦氣的量,會導致裂紋擴展能的增加。然 而,氦氣對鋁鎂合金脈沖 MIG 焊縫凝固裂紋影響卻 并不清楚。同 時,MIG 中 的 脈 沖 模 式 也 應 引 起 注 意,在鋁合金激光焊中,脈沖形式可以最大限度地減 小熱裂紋,使凝固結(jié)束時的凝固速率適中,并在凝固 開始時施加由凝固收縮和熱收縮引起的應變[6],梯 形電流波形的脈沖焊接裂紋明顯比方形電流波形的 少[7],適當控制脈沖形狀可以避免凝固開裂[8]。 魚骨狀裂紋試驗是利用試板上不同長度溝槽形 成的不同最大拉應力來測試鋁合金的凝固裂紋敏感 性。當焊接熱源在試板移動時,由于熔池凝固產(chǎn)生 的熱應力會使縱向裂紋沿焊縫中心起裂、擴展,隨著 焊縫越靠近縱向溝槽,裂紋越易止裂,此時裂紋的總 長度便可作為裂紋敏感性的指標進行統(tǒng)計[9]。不同 材料的裂紋敏感性測試需要設計出不同合適尺寸 (高度和深度)的橫向溝槽來控制焊縫的裂紋起裂過 程。筆者通過魚骨狀裂紋試驗研究焊接保護氣體分 別為 100% 氬 氣、25% 氦 氣 +75% 氬 氣 混 合 氣 和 50%氦氣 +50% 氬 氣 混 合 氣 時,不 同 焊 接 電 流 下 5052 鋁 鎂 合 金 的 焊 縫 凝 固 裂 紋 敏 感 性;同 時 對 100%氬氣焊接保護氣下的脈沖模式影響進行了進 一步研究,從焊縫晶界形態(tài)和凝固過程討論鎂含量 與焊縫凝固裂紋敏感性之間的關(guān)系。

1 試驗方法與試樣制備 

1.1 焊接工藝設計

試驗材料母材采用尺寸為140mm×300mm× 3mm 的5052鋁鎂合金魚骨狀試板,其化學成分如 表1所示。焊絲采用?1.2 mm 的 ER5356鋁鎂合 金實 芯 焊 絲,化 學 成 分 如 表 2 所 示。 分 別 使 用 100%氬氣、25%氦氣+75%氬氣混合氣體和50% 氦氣+50%氬氣混合氣體作為焊接保護氣體。焊接 電流采用兩種,一種為單脈沖焊接電流,另一種為雙 脈沖 接 電 流,單 脈 沖 MIG 電 流 分 別 為 130,160, 190,220A,雙脈沖電流則是在單脈沖電流基礎上 添加電流小于60A 的小電流,電流波形為方形波, 頻率為2Hz,占空比為50%。焊接設備為松下 YD- 500FD型焊機。

1.2 魚骨狀裂紋試驗方法 

使用魚骨狀裂紋試驗比較不同焊接工藝下的焊縫凝固裂紋敏感性大小,魚骨試板加工尺寸如圖1 所示。焊接前,魚骨試板采用夾持裝置進行剛性固 定,夾持裝置整體使用散熱性較好的黃銅材料進行 冷卻,并且在魚骨試板焊縫所在位置下方處預留凹 槽;焊接后,等待焊縫冷卻至室溫再取出魚骨試板; 最后使用滲透探傷方法檢測焊縫凝固裂紋,焊縫凝 固裂紋長度越長代表其裂紋敏感性越大。

1.3 化學成分分析 

取魚骨試板焊縫裂紋止裂附近金屬作為待測試 樣,試樣的焊縫截面經(jīng)砂紙粗拋后,再使用三酸電解 拋光。腐蝕劑為keller試劑,腐蝕時間90s,然后使 用日立S300型掃描電鏡觀察焊縫晶界,并對晶界 進行能譜掃描,分析其化學成分。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 保護氣體與焊接電流對焊縫凝固裂紋敏感性 的影響 

如圖2所示,焊接保護氣為100%氬氣時,魚骨 試板在不同焊接電流下形成了不同長度的焊縫凝固 裂紋。隨著電流的增加,單脈沖 MIG 獲得的凝固裂 紋長度從94.5mm 逐漸增加到235mm,電流變大 增加了焊縫凝固裂紋開裂的傾向。同時,當焊接保 護氣為75% 氬 氣 +25% 氦 氣 時,隨 著 焊 接 電 流 從 130A 增加到220A,單脈沖 MIG 下的焊縫凝固裂 紋長度從154mm 增加到227.5mm;當焊接保護氣 為50%氬氣+50%氦氣時,魚骨試板在不同熱輸入 下所形成的焊縫凝固裂紋長度基本趨于一致,與其 他兩種焊接保護氣焊接時最大凝固裂紋長度相當。 因此,焊 接 電 流 增 加 會 明 顯 提 高 焊 接 保 護 氣 為 100%氬氣和75%氬氣+25%氦氣混合氣時的焊縫 凝固裂紋敏感性;焊接保護氣為50%氬氣+50%氦 氣時,焊縫凝固裂紋敏感性最差,電流增加對其影響 不大。 橫向?qū)Ρ群附与娏饕恢聲r焊接保護氣體對焊縫 凝固裂紋長度的影響。由圖2可知,隨氦氣比例的增加,焊接電流為130A 時,焊縫凝固裂紋長度從 94.5mm 增加到154mm,進一步增加到248mm; 焊接電流為160A 時,凝固裂紋長度從138mm 增 加到204mm,進一步增加到236mm;焊接電流為 190 A 時,凝 固 裂 紋 長 度 從 147.5 mm 增 加 到 215mm,進一步增加到 228 mm。上述規(guī)律表明, 氦氣的占比變大會使焊縫凝固裂紋傾向增大,這是 因為氦氣的導熱系數(shù)相比氬氣更高。同時,氦氣的 電離勢也大于氬氣,因此在相同的焊接工藝參數(shù)下, 使用氦氣作為保護氣體進行焊接會使熱影響區(qū)變 大,相當于提高了焊縫的熱輸入[4]。此外,當焊接電 流達到220A 時,保護氣體的成分對凝固裂紋長度 的影響已不明顯,凝固裂紋長度基本趨于一致。 

2.2 脈沖模式對焊縫凝固裂紋敏感性的影響

焊接保護氣為100%氬氣時,魚骨試板分別在 單脈沖與雙脈沖模式下所獲得的焊縫凝固裂紋長度 如圖3所示。由圖3可知,無論焊接電源是單脈沖 模式還是雙脈沖模式,隨著電流的增加,焊接熱輸入 增加,凝固裂紋普遍具有增加的趨勢。其中,單脈沖 MIG 獲 得 的 凝 固 裂 紋 長 度 從 94.5 mm 增 加 到 235mm;雙 脈 沖 MIG 獲 得 的 凝 固 裂 紋 長 度 從 150mm 增加到239mm;兩種電源模式下,在焊接 電流為220A 時,焊縫凝固裂紋長度幾乎趨于一致。 在單脈沖電流中添加電流小于60A 的小電流 形成雙脈沖電流,其中小電流維持電弧穩(wěn)定燃燒,大 電流保證焊縫具有一定熔深,通過頻率控制原電流 和小電流的單位時間交替次數(shù),能夠降低焊縫單位 長度熱輸入,熱輸入降低一般能夠降低鋁鎂合金焊 縫凝固裂 紋 敏 感 性。然 而 圖 3 表 明,在 原 電 流 為 130A(小 電 流 70 A)、原 電 流 為 160 A(小 電 流 100A)和原電流為190A(小電流130A)時,雙脈 沖電流獲得的凝固裂紋長度大于單脈沖電流獲得的;文獻[7]將雙脈沖電流波形進行細分,分為方形 電流波形和梯形電流波形,后者是在方形電流波形 基礎上加入一組由強到弱的過渡脈沖和一組由弱到 強的過渡脈沖,兩種電流波形的焊接結(jié)果顯示,梯形 電流波形 MIG 的熔池振蕩更為充分,熔合區(qū)的晶粒 排列緊密,裂紋敏感性明顯比方形電流波形 MIG 的 小。該次試驗所用的雙脈沖電流波形正是方形電流 波形,大電流到小電流過渡不平緩,導致電弧對熔池 的振蕩作用不明顯,電流轉(zhuǎn)換期間,液相無法充分填 充枝晶間隙,小電流階段,枝晶間凝固收縮加劇,凝 固裂紋源變多,焊縫凝固裂紋敏感性更大。單脈沖 焊接熱輸入大,液相停留時間長,單位時間枝晶間隙 相對填充的液相更多,其焊縫凝固裂紋敏感性相比 方形電流波形雙脈沖 MIG 的隨之下降。 

2.3 為 焊 研 縫 究 顯 焊 微 縫 組 凝 織 固 與 裂 凝 紋 固 長 過 度 程 

與顯微組織的關(guān)系, 選用凝固裂紋長度為147.5mm 和235mm 的焊縫 試樣進行顯微組織分析。圖4a)表明,凝固裂紋長 度為147.5mm 時,晶界較為連續(xù),連續(xù)晶界有利于 低熔點共晶化合物液相補充晶體凝固收縮形成的枝 晶間隙,降低凝固裂紋敏感性。圖5a)表明,凝固裂 紋長度為235mm 時,晶界呈斷續(xù)狀,且晶界較厚, 此類晶界表明液相在此處填充受到阻礙,凝固收縮 形成的枝晶間隙不能及時得到液相填充,更易形成 裂紋源。鋁鎂合金焊縫晶界為共晶β相,文獻[10]指 出β相在鎂含量小于3%(質(zhì)量分數(shù))時不容易從晶界 中析出,提高鎂含量,沿晶界析出的β相在變形過程 中就會變成凝固裂紋的裂紋源。因此,晶界化學成分 是影響鋁鎂合金凝固裂紋開裂的重要因素之一。 能譜掃描結(jié)果表明,凝固裂紋長度147.5 mm 的焊縫 區(qū) 晶 界 的 鎂 含 量 為 6.71% (質(zhì) 量 分 數(shù),下 同),凝固裂紋長度235mm 的焊縫區(qū)晶界的鎂含量為3.92%,前者晶界鎂含量多于后者。使用 Pandat 軟件對兩種鎂含量的鋁鎂相圖進行非平衡凝固模 擬,模擬結(jié)果顯示,鎂含量6.75%時的固相形成溫 度低于鎂含量3.92%時的,前者于629 ℃時開始形 成固相,后者于642℃時才開始形成固相,同時前者 于501 ℃時幾乎完全凝固,后者于573 ℃時就幾乎 完全凝固。

從 Pandat軟件模擬結(jié)果中采集凝固過程的溫 度t和固相質(zhì)量分數(shù)fS 數(shù)據(jù),繪制t-(fS)^ 1/2 散 點圖,如圖6所示。散點圖中t與(fS)^ 1/2 的瞬時速 率最大值可作為鋁鎂合金凝固過程凝固裂紋敏感性 大小的指標,這一指標值越大,則代表凝固裂紋敏感 性越大[11-13] ;由 圖 6 可 知,鎂 含 量 6.71% 的 ∣ dt/ d(fS)^ 1/2 ∣ 最 大 值 小 于 鎂 含 量 3.92% 的 ∣ dt/ d(fS)^ 1/2 ∣最大值,即前者凝固裂紋敏感性小于后 者,這與實際焊接情況相符。因此,晶界鎂含量與焊 縫凝固裂紋敏感性有重要聯(lián)系,在5052鋁鎂合金焊 接中,鎂含量越多,凝固裂紋敏感性越小。 

3 結(jié)論

(1)使用單脈沖 MIG 焊接5052鋁鎂合金,在 焊接保護氣氬氣中添加25%氦氣,其焊縫凝固裂紋 敏感性顯著增加;當氦氣比例增加到50%時,焊縫 凝固裂紋長度與使用其他兩種焊接保護氣獲得的裂 紋長度趨于一致,裂紋敏感性最差。 (2)在5052鋁鎂合金單脈沖 MIG 中,隨焊接 電流增加,焊縫凝固裂紋敏感性增大;方形電流波形 雙脈沖 MIG 的焊縫凝固裂紋敏感性比單脈沖 MIG 的大。 (3)晶界鎂含量與5052鋁鎂合金焊縫凝固裂 紋敏感性大小有關(guān),晶界鎂含量增加,有助于形成連 續(xù)晶界,5052鋁合金焊縫凝固裂紋敏感性減小。

來源：材料與測試網(wǎng)