6082铝合金中厚板高频脉冲MIG对接焊接头的组织和性能分析

付宁宁，周禄军，竺星星，曲宗庆，刘宇阳，王文超，丁成钢，李宋伟

1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031

2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028

3.鞍钢集团，辽宁 鞍山 114011

0 引言

铝合金地铁车体由底架、侧墙、端墙、车顶组成。作为承载部件的底架最为关键，关系着整车的质量；底架包含边梁、地板、牵枕缓，其中牵枕缓对底架乃至对整车的安全都起着关键作用［1-3］。牵枕缓结构中包含着多种厚度的铝合金对接接头，其结构复杂、焊缝集中、焊接难度大，用传统的常规脉冲焊接方法进行焊接，难以保证焊接接头质量［4-5］。

与常规脉冲MIG焊相比，高频脉冲MIG焊在相近的焊接线能量（热输入）下可获得更大的脉冲电弧能量密度，具有明显的优势［6-7］：（1）“一脉一滴”的高频、高速熔滴过渡特点，使焊接速度更快，与常规脉冲MIG焊相比，焊接速度可提高30%～40%；（2）弧柱收窄，具有压缩电弧特性，增加了焊接熔深及电弧的穿透力；（3）熔池金属在周期性变化的力的作用下得到了充分的振荡、冲击和搅拌，有效降低焊接气孔的敏感性；（4）基本无焊接飞溅。

本文采用高频脉冲MIG深熔焊工艺方法，对15 mm厚的6082-T6铝合金板进行对接焊，研究了接头的焊接成形、微观组织和力学性能，以期为地铁铝合金焊接制造的工程化应用提供研究依据。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料及焊接准备

采用常规脉冲MIG焊（深熔焊模式）和高频脉冲MIG焊两种焊接方法。高频（高速）脉冲MIG/MAG焊机的工作原理：利用双芯片精确控制IGBT变频焊机的输出电弧工作方式，使焊机输出“不间断”脉冲电弧即高速脉冲弧，从而增大电弧的线能量，利用芯片高速运算、模拟斩波输出焊接波形，使熔滴过渡频率提高，焊接电流越大，频率提升越大。

试验母材为2块规格300 mm×150 mm×15 mm的6082-T6铝合金，焊材选用直径1.2 mm的ER5356，母材和焊材熔敷金属的化学成分和力学性能见表1、表2。接头条件：坡口角度40°，焊接间隙1 mm，钝边0～0.3 mm。为便于对比分析，常规脉冲MIG焊接头简称为O401接头，高频脉冲MIG焊接头简称为G401接头。G401接头焊接线能量为15.21 kJ/cm，O401接头焊接线能量为17.12 kJ/cm。保护气体采用纯度99.999%的氩气，气流量为20 L/min。实际施焊的接头条件和工艺参数见表3。

表1 主要化学成分（质量分数，%）Table 1 Main chemical compositions （wt.%）

表2 主要力学性能Table 2 Main mechanical properties

表3 实际焊接工艺参数Table 3 True welding process parameters

1.2 试验方法

1.2.1 焊接接头的金相观察和组织分析

参照EN ISO 17639：2022《焊接接头的宏观和显微检验》标准的规定［8］，截取接头的横向试样，用DMi8型莱卡金相显微镜观察和分析O401和G401接头的宏观形貌和金相组织，对比分析焊缝成形的宏观形貌、根部的坡口面熔深及焊缝和过热区的微观组织特征。

1.2.2 拉伸断口SEM观察和分析

使用SUPRA-55场发射扫描电镜观察和分析接头拉伸标准试样断口，判断其断裂特征。

1.2.3 焊接接头力学性能测试和分析

（1）拉伸试验。参考标准EN ISO 4136：2022《焊接接头的横向拉伸试验》［9］，使用WDW-300E微机控制电子式万能试验机，对G401、O401接头的标准试样进行拉伸试验，拉伸速度为2 mm/s。拉伸标准试样的形状、尺寸和规格如图1a所示。

（2）弯曲试验。参照标准EN ISO 5173：2016《金属材料焊缝的有损检验-弯曲试验》的规定［10］，使用DLGX-E001万能试验机对接头进行侧弯试验，评定焊缝的塑性及是否存在未熔合的焊接缺陷。弯曲试样的形状、尺寸和规格见图1b。

2 试验结果与分析

2.1 焊接接头的宏观形貌分析

G401、O401接头的宏观形貌如图2所示。由图可知，在相同的接头条件下，与常规脉冲MIG焊相比，采用较小的焊接线能量（EG401=15.21 kJ/cm，EO401=17.12 k J/cm，焊接热输入减小约11%），高频脉冲MIG深熔焊接头的根部熔深较大，为4.8 mm，根部熔深增加约14%（4.2 mm→4.8 mm），且两种接头的焊缝与母材熔合良好，焊接成形良好，焊缝的外观质量达到EN ISO 10042：2005《铝及其合金弧焊接头的缺陷评定组别》的B级焊缝的要求［11］。

图2 两种工况下的焊接接头宏观形貌Fig.2 Macro morphology of welded joints under two working conditions

2.2 焊接接头的微观形貌分析

O401和G401接头盖面熔合区的显微组织如图3所示，两种接头的显微组织类型相同，均为α-Al固溶体基体+化合物析出相。焊缝靠近熔合线一侧形成了沿着散热方向生长、较为粗大的柱状晶组织。相比G401接头，O401接头过热区的晶粒更为粗大（见图3b），这可能是常规脉冲MIG焊的能量密度集中度不及高频脉冲MIG焊，焊接热输入又较大（17.12 kJ/cm）的原因。

图3 G401与O401接头盖面熔合区金相组织Fig.3 Metallographic structure of the fusion zone of G401 and O401 joint cover

图4 拉伸试样断口扫描形貌Fig.4 Fracture scanning morphology of tensile specimens

2.3 焊接接头拉伸性能试验结果与分析

G401和O401接头的拉伸试验结果如表4所示，G401和O401工况的平均抗拉强度分别为237.7 MPa和227.8 MPa，接头的强度系数T［Rm（W）/Rm（BM）］，即接头的抗拉强度/母材抗拉强度的下限，分别为79.2%和75.9%。由此可见，G401和O401接头的强度系数都超过了60%，均满足EN ISO 15614-2：2005《铝及其合金弧焊工艺评定》的要求［12］，这是因为焊接填充量较小，热影响区过热软化程度较低，同时选择了40°坡口角度（标准一般为70°坡口角度）。与O401接头相比，G401接头的强度系数提高了约4%，这归因于高频脉冲MIG焊的压缩电弧能量密度较为集中，以及在相同的接头条件下，其热输入较小（E=15.21 kJ/cm）。

表4 G401和O401接头的拉伸试验结果Table 4 Tensile test results of welded butt joints G401 and O401

两种接头的拉伸试样均断裂于热影响区的软化区。拉伸断口的形貌特征相似，为大量的韧窝形貌，呈现出典型的韧性断裂特征。

2.4 焊接接头弯曲性能试验结果与分析

O401和G401接头的侧弯试验结果如图5所示。当弯曲角度达到180°时，侧弯试样的受拉面没有发现裂纹。这表明两种接头的塑性良好，焊缝根部、层间、焊缝与母材熔合区的熔合情况良好，没有出现未熔合的缺陷。

图5 侧弯试样Fig.5 Side bending specimen

3 结论和建议

（1）板厚15 mm的6082-T6铝合金G401和O401接头成形良好，质量达到B级焊缝的要求。焊缝金属层间、焊缝金属与母材熔合良好，未出现未熔合等缺陷。高频脉冲MIG深熔焊能显著提高焊缝根部的熔深，与O401接头相比，在焊接热输入降低约11%的情况下，G401接头的根部熔深增加约14%。

（2）G401和O401接头的组织类型相同，均为α-Al固溶体基体+化合物析出相。与G401接头相比，O401接头的焊接热影响区过热区的晶粒较为粗大。

（3）G401和O401接头的拉伸试样呈典型的塑性断裂。与O401接头相比，G401接头的强度系数略高，高出约4%，达到79.2%，均满足铝合金焊接工艺评定标准的要求。经180°弯曲，两种接头的侧弯试样受拉面均未发现裂纹，焊接接头的塑性良好。

（4）高强铝合金进行MIG焊接，在现行欧洲（国际）标准的基础上，建议考虑选用新型电弧焊工艺，并适当调整接头条件，如适当减小焊接坡口角度。这样可以减少焊接填充量、焊接线能量（热输入），提高焊接生产效率，同时也能降低焊接热损伤，进而提高接头的强度系数。