铝合金型材非全焊透接头根部缺欠判定探讨

林相远，金文福，杨振东，李 欢，张春旭

(辽宁忠旺集团有限公司， 辽宁 辽阳 111003)

交通运输工具的轻量化设计是近年来十分受关注的方向之一。铝合金因具有密度小、塑性好、强度高、耐腐蚀等优点，成为汽车、轨道以及船舶等行业轻量化设计的首选结构材料[1]，而焊接又是铝合金深加工产品常用的一道工序。在进行产品的焊接接头设计时，需充分考虑结构特点、材料特性和经济性等因素[2]。因此，对于铝合金型材与型材之间的连接，非全焊透对搭接接头是一种常见的接头设计形式。通过生产经验得知，在对该种接头进行单脉冲MIG焊时，其焊缝根部会存在一种客观存在的缺欠。本文对此种缺欠进行研究，旨在为相关工作人员提供参考。

1 试验材料与方法

试验母材为6005A-T6挤压型材，母材化学成分满足GB/T 3190-2008要求，力学性能满足GB/T 6892-2015要求。进行定位焊后，接头根部间隙为0～0.5mm，如图1所示，其中图1(A)为焊接试件整体形貌示意图，图1(B)为焊缝的理论横截面示意图。

焊接方法为单脉冲MIG焊，焊接设备为Fronius TPS 5000。焊接保护气为99.99%Ar，填充金属为GB 10858 SAl 5356(AlMg5Cr(A))焊丝，焊丝直径1.2mm。焊接电流为150A，焊接电压21.1V，焊接速度45cm/min，焊接热输入为3.38kJ/cm。

焊接完成后使用机械加工的方式对试件进行取样，对样件进行宏观金相观察以及微观金相观察，以对根部缺欠进行分析。

2 试验结果及分析

2.1 宏观金相观察

试件焊接完成后，需在一道焊缝上截取三个断面来进行宏观金相观察，三个断面分别命名为A、B、C，断面截取位置如图2所示。使用NaOH水溶液对截取的断面进行腐蚀，之后进行宏观金相观察，观察结果如图3所示，图中字母a为熔合线，字母 b为焊前母材轮廓线，字母c为图4观察区域。由图3可见，焊道根部均有宏观缺欠存在，且图3(B)的根部缺欠与裂纹最为相似。

2.2 微观金相观察

使用光学金相显微镜对图3(A)(B)(C)断面的焊缝根部缺欠进行微观金相观察，观察结果依次如图4(A)(B)(C)所示。对于铝合金而言，焊接时若产生裂纹则主要是热裂纹，其特征是具有尖锐的缺口和较大的长宽比，在裂纹扩展时其尖端会形成很多更小的裂纹且常出现在熔覆金属区域。图4的根部缺欠均出现在熔覆金属区域，其中图4(A)断面的根部缺欠具备裂纹特征且具有继续开裂倾向；但图4(B)(C)断面的根部缺欠特征却与焊接裂纹特征不同，是较为圆滑的形貌，且其朝向焊缝金属的延伸方向末端具有圆弧的特征。

为验证图4(A)中的裂纹深度，将该断面继续打磨，打磨深度为0.10mm，打磨后进行腐蚀及微观金相观察。观察结果如图5(A1)所示，可见该断面已无“裂纹”存在，故推测图4(A)中的微裂纹可能是由空腔引发，在焊接过程中或在机械取样过程中形成，裂纹小而浅、打磨可去除。经统计，此裂纹出现概率仅为0.67%，故为机械取样过程中形成的可能性更大。

2.3 根部缺欠成因分析

对于非全焊透接头而言，其焊缝根部在焊接过程中会存在部分无法顺利快速溢出的气体。在焊接过程中，这部分气体会残留在焊接接头根部并将焊缝根部区域撑起一个空腔。同时，熔池内的流动方式也在一定程度上影响着焊缝根部的成形。在电弧下方，由于熔池受熔滴动态冲击力和电磁力的作用，液态金属会向内流动。远离电弧，由于表面张力温度系数为负，液态金属会向外流动[3]。因此，在焊接过程中，熔池内同时存在向内流动和向外流动两种流动方式[3]，如图6所示，熔池内白色箭头表示流动方式，该流动方式也有利于焊缝根部空腔的形成。

另一方面，靠近焊缝外侧的填充金属会先凝固，靠近焊缝中心侧的填充金属会后凝固[3]。本文研究的缺欠均位于焊缝中心侧，故该区域熔融态金属的凝固时间滞后于焊缝外侧金属的凝固时间。这导致了在焊接冷却过程中，根部空腔周围无足够的熔融态金属来对其进行填充，这也将利于焊后根部空腔的形成。

图4(A)与图4(C)为典型的根部空腔形貌，而图4(B)为熔融金属受重力作用对空腔进行了部分填充但不足以完全克服根部残留气体以及表面张力的影响，故出现了这种形貌。另外，由于铝合金熔点低、凝固速度快，因此这种空腔缺欠是十分容易产生的。

3 结论

(1)在宏观金相观察下，非全焊透接头的根部有时会存在与焊接裂纹特征相似的缺欠，无法通过宏观金相来对其进行准确判断，需进行微观金相观察才能进一步判断。

(2)在100X微观金相观察下，该根部缺欠的末端为圆弧状，因此不会继续开裂继而产生焊缝失效，这与焊接裂纹的特征是不同的。个别情况下，焊缝根部可能会由空腔而引发裂纹。由于该种裂纹尺寸小、深度浅、出现概率低，故为机械取样过程中形成的可能性更大。

(3)对于非全焊透接头的根部缺欠而言，建议焊接检测人员应当结合宏观金相观察结果与微观金相观察结果共同来对缺欠进行判定。