焊丝对5754-H111铝合金焊接接头组织和性能影响

李小欣 徐仲勋 王晓贞 郑延召 刘作庆

(1.平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001；2.平高集团焊接技术及压力容器实验室，河南 平顶山 467001；3.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001)

铝合金由于密度小，比强度高、热导率高、耐蚀性强、无磁性、成形性好以及低温性能好等特点被广泛应用于工业领域[1-3]。5754铝合金是典型的Al-Mg系合金，具有中等强度、良好的耐蚀性、焊接性及易于加工成形等优点[4-5]。在国外，不同状态的5754铝合金板材主要用于制作焊接结构件、大型屋面瓦，在汽车行业中也被广泛使用[6]，国内对5754板材的需求量也逐年增加[7]。陈纪强等[8]研究发现，5754合金板材的加工硬化现象显著，随着变形量的增加，其强度不断提高，断后伸长率逐渐降低。董晓英[9]研究了AA5754铝合金在激光电弧复合焊接过程中焊缝形貌及性能变化，发现以激光为主导作用的复合焊有更好的熔深和焊接质量，并在实际工作中得到了进一步验证。目前，大部分的研究仍集中在焊接工艺和焊后热处理对板材性能的影响，而关于焊丝对焊接接头性能影响的研究则较少。因此本文采用不同牌号的焊丝对5754-H111铝合金进行交流钨极氩弧焊接，研究了焊丝对焊接接头的显微组织、强度和硬度的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验选用厚度为10 mm的5754-H111铝合金板材，尺寸为500 mm×125 mm，其化学成分见表1。焊接方式为对接焊，坡口形式为“Y”形，坡口尺寸如图1所示。采用φ5 mm的ER5356和ER5183焊丝，其化学成分见表2。焊前采用不锈钢丝刷对5754-H111铝合金进行机械清理，清理坡口及两侧表面氧化物和油污，清理范围为焊接试件正反面距离坡口中心25 mm内。由于铝合金的化学特性较为活泼，清理后3 h内需完成焊接。在OTC DIGITAL 500型氩弧焊机上进行钨极氩弧焊焊接，使用99.99%(体积分数，下同)氩气进行保护，具体焊接工艺参数如表3所示。

1.2 试验方法

焊后按图2所示在焊接试样上截取金相试样、拉伸试样、弯曲试样和硬度试样。

图1 焊接坡口形式及尺寸

表1 5754铝合金的化学成分(质量分数)

表2 焊丝的化学成分(质量分数)

表3 焊接工艺参数

图2 试样截取位置示意图

金相试样采用1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3的混合酸溶液腐蚀，腐蚀时间为20～30 s，采用Axio Scope.A1型蔡司光学显微镜进行显微组织观察。

按照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》制备拉伸试样，在WE-100B 型液压万能试验机上以1 mm/min的拉伸速度进行拉伸试验。

按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》制备弯曲试样，在WE-100B 型液压万能试验机上进行180°弯曲试验，弯心直径为40 mm。

按照GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验》制备硬度试样，在HV-50维氏硬度计上沿垂直于焊缝方向进行硬度测量，试验力保持时间为(30±2)s。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织

图3为5754-H111铝合金母材和焊接接头热影响区的显微组织。5754-H111铝合金焊前母材为退火态组织，β(Al3Mg2)相已充分析出。但由于焊接过程中加热和冷却速度很快，β(Al3Mg2)相来不及完全固溶，从而在α固溶体中析出。两种焊丝焊接的接头热影响区的组织无明显差别，且与母材组织相似，保留了轧制的纤维状态，组织主要是α固溶体的基体中分布着弥散的β(Al3Mg2)相及其他化合物相。

图4为焊接接头焊缝区的显微组织。两种焊丝焊接的接头焊缝区的组织均为胞状树枝晶，主要为α固溶体的基体中分布着树枝状β(Al3Mg2)相和Al6Mn相，同时晶界富集杂质相。此外与图4(a)相比，图4(b)的晶粒更加细小，这是由于ER5183焊丝中的Mn含量较高，与Al形成了弥散的Al6Mn相，抑制了再结晶过程，提高了再结晶温度，显著细化晶粒，并使β(Al3Mg2)相分布更均匀。

2.2 拉伸、弯曲性能

焊接接头的拉伸和弯曲试验结果见表4。由表4可见，两种焊丝焊接的5754-H111铝合金焊接接头的抗拉强度相差不大，均为200～210 MPa，达到母材强度(234.5 MPa)的85%以上，并高于退火态母材的最低强度(190 MPa)；拉伸试样均断裂在热影响区，见图5。焊接过程中，由于焊接热循环，热影响区的峰值温度超过再结晶温度，使析出相(Al3Mg2)聚集长大，产生了软化区，导致接头强度下降，焊接接头强度最低处在热影响区的软化区，因此焊接接头在拉应力的作用下，热影响区最先发生断裂。ER5356焊丝焊接的接头的断后伸长率略大于ER5183焊丝焊接的接头，其原因是ER5183焊丝中Mn含量的增加，导致焊接接头强度提高，塑性降低。弯曲试验结果表明，两种焊丝焊接的5754-H111铝合金焊接接头的冷弯试样经过180°面弯、背弯后，均未出现裂纹，试验合格，见图6。

图4 5754-H111铝合金焊接接头焊缝区显微组织

表4 焊缝金属的力学性能

2.3 硬度

图5 拉伸试样

图6 弯曲试样

对焊接接头的硬度进行测量，从焊缝中心开始向母材侧逐点测试，2种焊丝焊接的5754-H111铝合金焊接接头的显微硬度分布如图7所示。

图7 焊接接头的显微硬度分布

由图7可见，两种焊丝焊接的接头的硬度分布曲线均呈N形，焊缝中心的硬度有个最低值，随着与焊缝中心距离的增加，硬度逐渐升高，在熔合区达到高值后又开始降低，在热影响区距焊缝10 mm处硬度最低，此后随着与焊缝中心距离的增加，硬度又逐渐提高，最后达到母材的硬度。这是由于焊接时焊缝中心温度最高，熔池金属在结晶过程中，从α基体中析出β(Al3Mg2)相及其他化合物相，这些相以较快的速度聚集长大，并与基体的共格关系破坏，畸变减小，对位错运动的阻碍作用减弱，导致硬度降低。随着与焊缝中心距离的增加，热作用减弱，散热条件好，冷却速度加快，晶粒尺寸小，硬度逐渐提高。在热影响区由于出现软化现象，硬度降低并出现最低值。与ER5356焊丝焊接的接头相比，ER5183焊丝焊接的接头的显微硬度略高，这与ER5183焊丝中Mn含量较高，形成了弥散的Al6Mn相，同时β(Al3Mg2)相分布更均匀有关。

3 结论

(1)ER5356和ER5183焊丝焊接的5754-H111铝合金焊接接头的热影响区组织无明显差别，均保留了母材轧制的纤维状态；焊缝区组织均为α固溶体的基体中分布着树枝状β(Al3Mg2)相和Al6Mn相。与EER5356焊丝相比，ER5183焊丝焊接的接头焊缝区晶粒较小。

(2)两种焊丝焊接的接头的强度相差不大，均能达到母材强度的85%以上，且均断裂在热影响区。ER5356焊丝焊接的接头的断后伸长率略大于ER5183焊丝焊接的接头。焊接接头的冷弯试样经过180°面弯、背弯后，均未出现裂纹，试验合格。

(3)两种焊丝焊接的接头的显微硬度分布曲线均呈N形，热影响区的硬度最低。与ER5356焊丝焊接的接头相比，ER5183焊丝焊接的接头的硬度略高。