6082铝合金中厚板高频脉冲MIG对接焊工艺及接头的残余应力

张亚，戴忠晨，李东风，曲宗庆，刘宇阳，王文超，丁成钢，冯寒

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 前言

6082高强铝合金由于具有比强度较高、优良的抗腐蚀以及良好的焊接性，被广泛地应用于轨道交通装备的焊接制造，可以实现结构制造轻量化的目的。相对于其他钢铁材料，铝合金具有较特殊的理化性能，如熔融温度较低，热膨胀系数、导热系数较大，这对铝合金的焊接，尤其是电弧熔化焊带来了难题［1］。首先，当铝合金进行焊接时，由于其独特的物理、化学特性，将会产生一系列的焊接缺陷。其中，气孔是铝合金最常见的焊接缺陷，气孔缺陷会降低接头的有效承载能力及疲劳性能，对接头的力学性能影响较大［2-3］。其次，铝合金接头较大的焊接残余应力，会增加焊接热裂纹的敏感性及降低工件后续加工的尺寸稳定性［4-7］。

目前，铝合金城轨车体“牵枕缓”及“底架”中厚板部件采用常规脉冲MIG焊工艺方法进行焊接制造，在焊接制造过程中，存在诸多问题：（1）焊接填充量较大，生产效率较低；（2）焊接残余应力较大；（3）焊接未熔合及气孔缺陷较为敏感；（4）接头的失强（软化效应）较为突出。这严重制约了高强铝合金在轨道交通装备制造行业中的使用。

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［8-9］：（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，焊接可提高约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，焊接气孔的敏感性得以有效的降低；（4）基本无焊接飞溅。

正是在这种背景下，为解决轨道交通装备铝合金结构焊接制造中存在的问题，本文采用高频脉冲MIG焊新工艺方法，进行了8 mm厚6082-T6铝合金板对接焊工艺试验，并对接头的焊接残余应力进行了测试、分析，为焊接新工艺在地铁铝合金焊接制造中工程化的应用提供研究依据。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验母材及焊接材料

母材选用350 mm×150 mm×8 mm的6082-T6铝合金板，焊材选用1.2 mm规格的ER5356焊丝，焊接保护气体采用EN ISO14175 I1型气体（100%Ar，纯度99.999%）。母材、熔敷金属的化学成分如表1所示，其力学性能如表2所示。

表1 6082-T6母材、ER5356熔敷金属主要化学成分（质量分数，%）Table 1 6082-T6，ER5356 main chemical components （wt.%）

表2 6082-T6铝合金母材及ER5356熔敷金属的力学性能Table 2 Mechanical properties of 6082-T6 aluminum alloy and ER5356

1.2 焊接工艺试验

选用全数字化IGBT逆变式高频脉冲MIG焊机和常规脉冲MIG焊机，进行对接试板的焊接，焊接试板的尺寸为350 mm×300 mm×8 mm，拟定的焊接工艺参数如表3所示，焊接接头示意如图1所示。

图1 接头示意Fig.1 Joint condition sketch map

表3 拟定的焊接工艺参数Table 3 Proposed welding process parameters

1.3 接头的宏观形貌/焊缝成形分析

参照EN ISO 17639：2022《焊接接头的宏观和显微检验》标准的规定［10］，截取接头的横向试样，用平板扫描仪，对4种工况接头的宏观形貌进行扫描、观察和分析，对比焊缝成形的宏观形貌、根部的坡口面熔深以及焊接气孔缺陷形成的敏感性。

1.4 焊接接头残余应力的测试

使用KJS-3压痕应力应变测试仪（见图2a），参照GB/T 24179—2023《金属材料残余应力测定压痕应变法》标准的规定［11］，对接头焊趾处的残余应力进行测试，残余应力布点示意见图2b，分别在焊缝的的起弧、中间和收弧区进行测试；测试结果中的σx为纵向残余应力，σy为横向残余应力。

图2 焊接接头残余应力的测试Fig.2 Rresidual stress test of welded joints

2 试验结果与分析

2.1 焊接接头的宏观形貌/焊缝成形

G601、O601、G501和O501工况的接头宏观形貌如图3所示，焊缝成形数据如表4所示。

图3 焊接接头的宏观形貌Fig.3 Macroscopic morphology of welded joints

表4 焊缝成形数据Table 4 Weld forming data

不难发现，与常规脉冲MIG焊接头相比，高频脉冲MIG焊接头的成形质量较好，表现为以下两个方面：（1）成形系数Φ、余高系数ψ较大。坡口角度为50°时，Φ高出约14%，ψ高出约24%；60°坡口时，Φ高出约4%，ψ高出约26%，Φ、ψ值越大，表明盖面的熔宽越大、盖面焊缝与母材金属间的过渡逾加平滑；（2）根部熔宽（坡口面熔深）较大。坡口角度为50°时，BR值高出约20%，60°坡口时，BR值高出约16%。

值得注意的是，对于G501、O501工况，在其接头条件（板厚、坡口形状和角度以及焊接间隙和钝边尺寸）相同，焊接热输入亦相同（10.7 kJ/cm）的状况下，与O501工况相比，G501工况的根部熔宽（坡口面熔深）BR值增加约20%，由此可见，高频脉冲MIG焊可显著增加高强铝合金的焊接熔深，可实现地铁6082铝合金中厚板的深熔焊。

与常规脉冲MIG焊相比（见图4a），高频脉冲MIG焊铝合金焊接气孔的敏感性明显降低，气孔数量较少（见图4b），而常规脉冲MIG焊焊缝气孔数量较多，且多集中在第二层（盖面）。这是由于高频脉冲电弧具有较高的频率（200～250 Hz），对焊接熔池具有较强烈的搅拌作用，这使液态金属内形成的气泡得以排除，从而使气孔的敏感性显著降低［12］。

图4 铝合金MIG焊接头气孔敏感性对比Fig.4 Comparison of aluminum alloy welding pores with different welding process methods

2.2 焊接接头残余应力结果与分析

接头焊后焊趾处的焊接残余应力测试结果见表5。可以发现：（1）坡口角度相同时，高频脉冲MIG焊的残余应力值较低。坡口角度为60°时，与常规脉冲MIG相比，横向残余应力σy均值下降约18.5%，纵向残余应力σx值下降约8.3%；坡口角度为50°，横向残余应力σy均值下降约15%，纵向残余应力σx值下降约7%；（2）即坡口角度减小时，焊接残余应力值降低。与60°坡口角度相比，无论高频脉冲MIG焊还是常规脉冲MIG焊，选用50°坡口角度，焊趾处残余应力均值降低约为6%～7%。

表5 对接接头焊趾处残余应力值Table 5 Residual stress value at weld toe of butt joint

值得注意的是，对于G501、O501工况，在相同的焊接热输入状况下（10.7 kJ/cm），高频脉冲MIG焊接头的焊接残余应力降低较为明显，σy均值下降约15%，σx值下降约7%。这是由于高频脉冲MIG焊电弧较为集中，呈压缩电弧形态，焊接热循环的温度峰值较低，作用的尺寸范围较小的原因，这已被笔者的相关试验研究工作所证实［9］。

3 结论

（1）与常规脉冲MIG焊接头相比，高频脉冲MIG焊接头的焊缝成形质量较好，成形系数Φ、余高系数ψ较高，盖面焊缝与母材金属间的过渡较为平滑；坡口角度无论为50°还是60°，6082-T6铝合金板厚8 mm的对接接头，焊缝层间、焊缝金属与母材金属间均实现了良好的熔合。

（2）与常规脉冲MIG焊相比，高频脉冲MIG焊根部熔深较大。坡口角度为50°时，在相同的热输入（10.7 kJ/cm）条件下，根部熔宽增加约20%，坡口角度60°，根部熔宽增加约16%。

（3）与常规脉冲MIG焊接头相比，高频脉冲MIG焊的焊缝气孔敏感性较小。

（4）与常规脉冲MIG焊相比，高频脉冲MIG焊的残余应力值较小。坡口角度为60°时，焊趾处的横向残余应力σy值降低约为18.5%，纵向残余应力σx值下降约为8.3%；坡口角度为50°，在相同的热输入时（10.7 kJ/cm），横向残余应力σy值降低约为18%，纵向残余应力σx值下降约为7%；坡口角度由60°减小为50°，高频脉冲焊焊趾处的残余应力值下降约为6%。