不同焊接方法对6xxx系铝合金热影响区的影响

金 鑫，谷 晗，林传冬，齐芃芃，吴振国，李美玲

(辽宁忠旺集团有限公司， 辽宁 辽阳 111000)

随着高速铁路的快速发展，轨道车体轻量化、高速运行已经成为现代化轨道交通的重要标志，提高运行速度首先就要减轻车身重量，铝合金材料具有大的比强度、大比刚度、大比热容、大热导率、高电导率、良好的拉伸性能以及较好的耐腐蚀性等特点，决定了其焊接时应采用能量集中的焊接方法[1]。6005A铝合金属于可热处理强化铝合金，是一种中等强度铝合金，被广泛应用于高速列车。本文主要采用激光填丝焊、激光-MIG复合焊、激光-CMT复合焊、自动MIG焊、自动CMT焊5种焊接工艺方法对6005A 铝合金进行焊接，对其进行显微硬度检测，观察判断热影响区宽度范围，并对金相显微组织及力学性能进行对比分析。

1 试验材料、设备及试验方法

1.1 试验材料

试验母材为3mm厚6005A铝合金延压板材，试板尺寸为300 mm×150 mm×3 mm，焊丝为Φ1.2mm的ER5087焊丝。母材6005A-T6铝合金的化学成分(质量分数，%)为，Si 0.65，Mg 0.70，Fe 0.35，Cu 0.30，Mn 0.50，Cr 0.30，Zn 0.20，Al余量；其力学性能为，Rp0.2为241.8MPa，Rm为305.4MPa，A为11.2%。

1.2 焊接设备

焊接设备采用德国通快Trudisk 8002碟片式激光器，TRUMPF BEO D70激光头，通快直径200um光纤，福尼斯Magic Wave4000送丝机构，福尼斯焊机。焊接机器人为KUKA公司生产的KR90六轴机器人，采用99.99%纯度氩气保护。

1.3 试验方法

焊前采用机械打磨方法将焊缝两侧25mm范围内进行表面清理去除表面氧化膜及油污等杂质，清理后的试验板要立即进行焊接，防止母材长时间暴露在空气中再次形成氧化膜，对焊接完成的试验板进行维氏硬度、拉伸性能测试以及微观组织观察分析。试验参数见表1。

2 试验结果分析

2.1 5种焊接工艺焊缝成型

图1中(a)(b)(c)(d)(e)分别为激光填丝焊、激光-MIG复合焊、激光-CMT复合焊、自动MIG焊、自动CMT焊5种焊接工艺方法的焊缝表面成型状态，可以看出，焊缝表面成型良好、均匀美观，表面无飞溅产生，无咬边、未焊透、下榻等缺陷出现；激光填丝焊余高及熔宽最小，激光-MIG复合焊、激光-CMT复合焊次之，自动MIG焊、自动CMT焊余高均较高、熔宽较大。

表1 试验参数

图2中(a)(b)(c)(d)(e)分别为5种焊接工艺方法的断面金相全拼图，将试样件采用10%NaOH进行腐蚀，通过观察可以清楚地看到母材与焊丝熔合良好，焊缝呈现V型，焊缝成型过渡较好。

2.2 金相显微组织分析

使用蔡司M2m光学显微镜对焊接接头不同位置进行金相观察，图3(a)(b)(c)(d)(e)分别为激光填丝焊、激光-MIG复合焊、激光-CMT复合焊、自动MIG焊、自动CMT焊5种焊接工艺方法焊接接头焊缝处200X的金相显微组织，焊缝区为典型的铸态组织，呈网状枝晶组织形态。从图中可以看出，激光填丝焊的焊缝组织更加细小，这是由于激光填丝焊的焊接热输入小，有利于组织细化，并且铝合金的导热系数大，焊缝凝固速度快，熔池快速形成并快速凝固结晶，形成更加细小的网状枝晶组织；相比于自动MIG、自动CMT焊，激光-MIG复合焊以及激光-CMT复合焊焊缝组织更加细小，这是由于复合焊时激光与电弧共同作用，使得熔池金属搅拌得更加均匀，并且复合焊的熔池小、冷却速度快，焊接热输入小于MIG焊及CMT焊，因此复合焊中共晶相相比于MIG焊、CMT焊尺寸小且更加弥散分布。

图4(a)(b)(c)(d)(e)分别为5种焊接工艺焊接接头熔合线处200X的金相显微组织，从金相组织可以看出，熔合区柱状晶明显长大，方向性较强，熔合区温度梯度较大，沿着散热较快方向的反向晶粒长大速度较快，即借助半熔化的晶粒形核，沿垂直于熔合线方向发生联生柱状晶粒生长[2]，相比于其他几种焊接工艺，自动MIG焊、自动CMT焊熔合区组织更加粗大。

2.3 显微硬度分析

按照GB/T2654-2008《焊接接头硬度试验方法》制备硬度试样，仪器采用FV-810维氏显微硬度计，从焊缝中心向两侧每隔1mm打一个点，每侧20个点，5种焊接工艺方法的焊接接头显微硬度分布曲线如图5所示。

从显微硬度曲线可以看出，5种焊接工艺方法软化区处硬度最低，说明在热影响区处存在比较明显的软化区，该区域晶粒组织粗大，导致力学性能降低，母材硬度均达到110HV以上，焊缝处硬度在母材和热影响区之间，硬度起伏在5HV之间。从图中可以看出，激光填丝焊的热影响区宽度最小，为3mm～4mm，激光-MIG复合焊的热影响区宽度为5mm～7mm，激光-CMT复合焊的热影响区宽度为6mm～7mm，自动MIG焊的热影响区宽度为7mm～9mm，自动CMT焊的热影响区宽度为8mm～10mm。

焊接热输入的大小是热影响区宽度的决定性因素，当热输入大时，热影响区则宽；热输入小时，热影响区则窄。

2.4 焊接接头力学性能分析

对5种焊接工艺方法的试件进行室温拉伸试验，根据GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》制备拉伸试样件，使用岛津AG-X 100KNH型电子万能实验机进行横向拉伸实验。激光填丝焊的平均抗拉强度最高，激光-MIG复合焊、激光-CMT复合焊抗拉强度大于MIG焊及CMT焊，小于激光填丝焊。断裂位置均为焊缝热影响区，因为6005A为可热处理强化铝合金，热影响区组织晶粒粗大，硬度较低，该区域又被称为软化区。自动MIG、自动CMT焊抗拉强度较低是由于热影响区晶粒相比于其他焊接方法更加粗大。

复合焊的抗拉强度要高于单MIG焊、单CMT焊，这是因为激光-MIG复合焊接熔深大，热输入少于常规MIG焊接，热影响区力学性能下降较小。拉伸试验结果如表2所示，拉伸试样如图6所示。

表2 拉伸试验结果

3 结论

(1)不同的焊接工艺方法对应着不同的焊接热输入，5种焊接工艺方法的热输入由小到大依次为：激光填丝焊<激光-MIG复合焊<激光-CMT复合焊<自动MIG焊<自动CMT焊。

(2)焊缝区为典型的铸态组织，呈网状枝晶组织形态，熔合区柱状晶明显长大，方向性较强，当焊接热输入小时，冷却速度快，晶粒生长较小；热输入大时，冷却速度慢，晶粒长大变粗，热输入的大小决定着焊缝组织粗细，焊缝区组织由小到大依次为：激光填丝焊<激光-MIG复合焊<激光-CMT复合焊<自动MIG焊<自动CMT焊。

(3)焊接热输入的大小是决定热影响区宽度的主要原因，焊接热输入小，热影响区宽度就小，软化程度小；焊接热输入大，热影响区则宽，软化程度大，热影响区宽度由小到大依次为：激光填丝焊<激光-MIG复合焊<激光-CMT复合焊<自动MIG焊<自动CMT焊。

(4)激光填丝焊的抗拉强度最高达到母材的84%，激光-MIG复合焊、激光-CMT复合焊次之，分别为母材的79%和78%，力学性能相差不大，自动MIG焊、自动CMT焊最小，分别为母材的74%和75%。