补焊次数对6060铝合金焊接接头性能的影响

马魁一，王丽鹏，赵 阳，曲凤娇，杨 丽

(辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003)

随着铝及其合金焊接技术的进步，人们已经研究出多种能够满足各种使用要求的铝合金焊接结构件，如航天飞机、全铝汽车以及各种能导电、耐腐蚀、耐高低温的焊接结构件[1]。但无论是哪种铝合金焊接方法，其产品质量都不稳定，这主要是焊接铝合金时不仅会产生各种类型缺陷，还会产生较大残余应力和焊接变形，这些都对焊接质量产生了不利影响[2-3]。实际生产过程中，补焊次数过多会导致焊接接头的组织和性能下降，所以焊接工艺里对补焊次数的要求都不会超过两次，比如EN 15085《轨道车辆及其部件的焊接》中对铝合金焊接的要求为任何位置不允许超过两次补焊[4]，BS EN 1090-3-2008《钢结构和铝结构的实施第3部分铝结构用技术要求》中要求如果焊接部位没有特殊批准，补焊次数不得超过两次[5]。根据刘礼军等[6]的研究，MIG焊接的接头性能优于TIG焊接，因此选取MIG焊接。本文焊接母材选取焊接性能优良的6060铝合金，研究3种补焊次数对6060铝合金接头组织与性能的影响，并为分析制定6060铝合金补焊工艺提供理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 焊接材料

试验选取的焊接母材为相同批次和热处理方式6060-T6铝合金。焊接母材拉伸性能验收标准为GB/T 6892-2015《一般工业用铝及铝合金挤压型材》，其参考值和实测值见表1；化学成分(质量分数，%)为，Si 0.552，Mg 0.531，Fe 0.170，Cu 0.024，Mn 0.035，Cr 0.019，Ti 0.033，Zn 0.022，Ga 0.015，Na+Ni+Sn+Pb 0.008，Al余量。焊接后试板尺寸为300mm×300mm×8mm，焊材为Φ1.2mm的5356铝合金焊丝，焊丝的化学成分(质量分数，%)为，Mg 5.0，Cr 0.1，Fe+Si 0.3，Cu≤0.05，Zn 0.05，Mn 0.15，Ti 0.1，Al余量。

表1 焊接母材的拉伸性能

1.2 焊接及补焊方法

1.2.1 焊接工艺

采用TPS 5000焊机进行MIG多层焊接，保护气体为99.99%的氩气，焊接位置为平焊，接头处坡口形式如图1所示，工艺参数见表2。焊接前应保证坡口面及焊丝无油污、氧化膜及水分，并在焊接前进行预热处理。在焊接时焊缝背面需使用临时焊接衬板结构。

1.2.2 补焊方法

本次试验共需制备出3种焊接试板，分别为未补焊试板、一次补焊试板和二次补焊试板。采用机加工方式先将图1中焊缝区域内的填充金属全部剔除，再重新加工出70°坡口，加工深度接近母材原始厚度，然后进行补焊，重复以上过程直至焊接出要求的试板。补焊时的工艺参数与初次焊接的工艺参数相同，全部焊接完成后进行焊后检测。

表2 焊接参数

2 试验结果与分析

2.1 无损检测

无损检测方法为X-射线检测内部缺陷，渗透检测表面缺陷。检测结果为取样区域内渗透检测和X-射线检测都合格，这表明检测区域均无超标缺陷，所以可以排除宏观缺陷对试验结果的影响。

2.2 拉伸性能

每种焊接试板需制备出两个焊接接头、两个母材室温拉伸样品，试验设备为日本岛津公司生产的电子万能试验机，设备型号为AG-X 100KN H。依据评估标准ISO 15614-2:2005《金属材料焊接工艺规范及资格评定焊接工艺性试验第2部分铝和铝合金的弧焊》，处于焊后状态试样的抗拉强度应满足以下要求：Rm(w)≥Rm(pm)×T；式中，Rm(w)为处于焊后状态的试样抗拉强度；Rm(pm)为试验要求的母材抗拉强度；T为接头效率系数，对于6060-T6的MIG焊接，T=0.6。由表1可知，Rm(pm)=170 MPa，代入上式可知Rm(w)≥102MPa。通过表3可知，接头处拉伸性能均符合标准要求。

表3 焊接接头的拉伸性能

但焊后性能均有不同程度的下降，抗拉强度下降约40%，屈服强度下降约60%，断后伸长率下降约15%。这说明焊后接头处均发生软化现象，软化原因与下文的接头处硬度出现的软化现象原因基本相同。3种不同补焊次数试板的接头处拉伸性能无明显差别，这说明补焊次数对拉伸性能影响较小。焊接接头处塑性均良好，这主要体现在断后伸长率均超过13%，高于对母材的要求。

从图2可以看出所有接头处的断裂位置均位于热影响区，这说明在经受不同的热循环和应变循环作用后，热影响区是接头处最薄弱的位置。

从图3可观察到焊接接头的断口与受力主方向的夹角均为45°，断口处均有较明显的缩颈现象且无明亮的小颗粒出现，断口呈纤维状，由此可知拉伸试样的断裂模式应为韧性断裂。

2.3 弯曲性能

每种焊接试板需制备出横向取样的2个正弯样品和2个背弯样品，弯曲压头直径为110mm、支辊间距离为134mm、弯曲角度为180°；试验设备为日本岛津公司生产的电子万能试验机，设备型号为AG-X 250KN。弯曲试样宏观照片见图4，可以看出试样弯曲到180°后，其表面无超过3mm的裂纹出现，这说明补焊后接头处均有良好的塑性，且试样的弯曲性能不受补焊次数的影响。

2.4 硬度性能

以焊缝中心为零点，向两侧对称取点。间距步进为1mm，载荷停留时间为10s～30s，加载载荷选取HV1。试验设备为日本FT公司生产的维氏硬度计，设备型号为LV-FV-810。图5为熔接接头处的显微维氏硬度分布特征。

由图5可知，3种不同补焊次数的熔焊接头的硬度分布特征均为W形，这说明6060-T6熔焊接头的硬度分布不均匀且都发生软化现象。此现象产生的原因可能为6060铝合金是可热处理强化铝合金，接头处各区经受不同的热循环和应变循环作用后，热影响区晶粒再结晶后变得粗大化，导致硬度值下降。熔合区和焊缝中心会有铸态的树枝状晶和柱状晶出现，这两种组织的成长也会导致硬度值下降。3种类型接头处的硬度值相差不大，其硬度值均处于60HV～120HV之间且热影响区硬度低于其他区域。此外，随着补焊次数的增加，其软化区域范围逐渐扩大，未补焊的软化区域为14mm，一次补焊的软化区域为15mm，二次补焊的软化区域为17mm，其硬度值最低点也向母材方向扩展，这是因为随着接头处经受的补焊次数增多，热影响区经受的热输入也会增加，接头处发生再结晶的范围逐渐扩大。

2.5 金相组织

本次金相试验的腐蚀方法为，使用10%的NaOH溶液对试样进行腐蚀，腐蚀时间不超过5min。图6为3种不同补焊次数6060-T6熔焊接头的宏观形貌结果。

可以看出，焊缝中无超标缺陷，这说明焊缝质量较好。随着补焊次数的增加，熔宽逐渐增大，这是因为本次试验在挖补焊缝宽度时，焊缝外形不规则，有少量填充金属在挖补时被残留下来形成的。

3 结论

(1)采用本文设定的工艺参数进行焊接后，6060铝合金接头处的拉伸性能和弯曲性均能符合标准，但焊后接头处均发生软化现象，补焊次数不会对拉伸性能和弯曲性能造成较大影响。

(2)补焊次数对接头处硬度值不会产生较大影响，且随着补焊次数的增加，软化区域逐渐扩大。因此在进行无损检测时，需注意扩大检验范围，检测两次补焊的焊缝时距焊缝中心向两端母材应至少扩检25mm。

(3)使用MIG焊接6060铝合金过程中，可以通过补焊来提高生产效率，但不宜超过两次。