含In的Al-Mg合金焊丝焊接性能研究

Research on Welding Properties of Al-Mg Alloy Welding Wire Containing In

摘要: 本文研究了Al-Mg-In焊丝，用MIG方法焊接5052铝合金板时所得焊接接头的力学性能，并与ER5356焊丝进行了对比。结果表明在相同的MIG焊接工艺参数下，两种焊丝所得焊缝的强度相差不大。当焊接电流为90 A，焊接速度为40 mm/min时，用Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝焊接时所得焊接接头的抗拉强度为204.7 MPa，达到母材的86.9%；而用ER5356焊丝时，则为202.9 MPa，达到母材的86.1%。在相同的MIG焊接工艺参数下，用Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝的焊接所得焊缝的铺展面积明显大于ER5356焊丝，Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝熔池具有好的流动性。

Abstract: In this research, the weld ability of 5052 aluminum alloy sheet using MIG and an Al-Mg-In welding wire was studied. The results show that the welded joint strength of Al-5.4 Mg-0.13 In welding wire is almost the same as ER5356 welding wire. At the welding conditions of 90 A and 40 mm/min, tensile strength of welded joint of Al-5.4 Mg-0.13 In welding wire and ER5356 welding wire is 204.7 MPa and 202.9 MPa respectively. The above tensile strength reaches 86.9% and 86.1% of the base metal’s tensile strength respectively. The spreading areas of Al-5.4 Mg-0.13 In welding wire are distinctly better than that of traditional ER5356 welding wire, which means the former has good wettability.

1. 引言

近年来，随着节能减排和绿色出行的推行，铝合金作为一种环境友好型材料得到了高速的发展。在铝合金使用过程中，焊接技术是重要的连接技术，往往决定了铝合金产品的服役性能及使用寿命 [1] [2] [3] 。铝镁合金焊丝在焊接过程中容易产生化学元素的烧损、气孔和夹杂等缺陷而使得焊接强度不足，高强铝合金的发展也对焊接强度提出了更高的要求，如何增加焊接接头的强度，以及提高抗应力腐蚀性能和耐蚀性，是一个值得研究探索的问题 [4] [5] [6] [7] 。

铝镁合金焊丝典型的牌号有ER5356、ER4043和ER5083等，其中ER5356焊丝是使用最为广泛的 [8] [9] [10] 。对于提高铝合金焊接接头性能的相关研究已有很多，主要集中于添加合金元素、热处理，焊接工艺等方面 [11] [12] [13] 。稀土金属能够显著提高铝合金的综合性能，在焊丝中添加稀土元素有望提高焊接接头性能和耐蚀性 [14] [15] [16] 。将金属In添加在Al-Mg合金焊丝中可以改善焊接熔池液滴的润湿性，具有焊缝成形性好和少飞溅的优点，该类研究国内外鲜有报道。本文研究了一种Al-Mg-In焊丝，采用MIG方法以5052铝合金作为母材进行焊接时所得到的焊接接头的性能，并与市面上常用的ER5356焊丝进行对比，探讨其焊接接头的组织及性能的差异。

2. 试验材料及方法

试验原料为99.7%工业纯铝、99.9%工业纯镁、Al-10 Mn中间合金、金属Ce和金属In。使用中频感应熔炼炉进行熔炼，浇注成棒状铸锭，铸锭的化学成分如表1所示，下文用Al-5.4 Mg-0.13 In表示。

Table 1. Chemical composition of Al-Mg-In welding wire

表1. 制备的Al-Mg-In焊丝的化学成分(wt.%)

棒状铸锭经过均匀化热处理处理后，再进行挤压、拉拔减径，最后刮皮提高表面质量后得到直径为1.2 mm的焊丝。

焊接母材为3 mm厚的5052铝合金板材，采用自动化熔化极惰性气体保护焊(MIG)方法，单面焊双面成型。焊缝间隙为1 mm。焊接电流选择75 A~90 A，焊接速度为40 mm/min。焊接过程通入纯度为99.9%的氩气(Ar)作为保护气体，气体流量为15 L/min，脉冲频率设置为60 Hz。

对Al-Mg-In焊丝焊接接头横截面进行了显微硬度分布测试。载荷力为1 Kgf，加载时间为15 s，以焊缝中心为基点，间距为1 mm进行打点测试显微硬度。按照国标GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验》进行Al-Mg-In焊丝焊接件和ER5356焊丝焊接件的抗拉强度测试，拉伸试样标距为38 mm，宽度为12.5 mm，厚度为3 mm。焊缝垂直于标距长度方向，位于标距中心。

3. 试验结果与分析

3.1. 不同焊接电流下焊缝的宏观形貌

外购ER5356焊丝和自制Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝在不同焊接电流下焊缝的宏观形貌如图1所示。用ER5356焊丝焊接所得的焊缝外观平整致密，呈鱼鳞状；当焊接速度为40 cm/min，随着焊接电流从75 A增大到90 A，焊接热输入增大，焊缝区域的熔宽变大。在相同热输入条件下，Al-Mg-In焊丝所得焊缝的铺展面积明显大于ER5356焊丝，见图1(b’)和图1(d’)，但前者表面光泽度较差，有较多黑色物质，这可能是由于Al-Mg-In焊丝是在实验室条件下制备的，其熔体除杂、除气等铸造工艺不到位而使得夹杂较多，在电弧加热时生成较多的氧化物所致。

(a) (b) ER5356焊丝，图b’为图(b)所示焊缝的典型横截面；(c)(d) Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝，图d’为图(d)所示焊缝的典型横截面

Figure 1. Macroscopic morphology of welding zone at different welding currents

图1. 不同焊接电流下焊缝的宏观形貌及焊缝的横截面

3.2. 焊接接头的显微组织

图2为用制备的Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝焊接5052铝合金板材所得焊接接头的显微组织。母材(BM)的组织比较均匀，为等轴晶。焊接区域分为三个部分：焊缝区(WZ)、熔合区(FZ)和热影响区(HAZ)，当焊接电流为75 A和90 A，焊缝区为树枝晶，在等轴晶与树枝晶之间为熔合区和热影响区，但各区域之间的界限并不明显。焊缝区的树枝晶是由于焊丝熔化后迅速冷却，造成了非平衡的凝固；熔合区和热影响区的形貌处于等轴晶和树枝晶之间，是由于母材和熔池金属的共同影响。由图2可知，焊接电流从75 A增大到90 A而其它的焊接工艺不变时，焊接热输入增大，母材受到热影响的区域扩大。

Figure 2. Microstructure of welded joints of Al-5.4 Mg-0.13 In welding wire at different welding currents; (a) WZ, 75 A; (b) FZ and HAZ, 75 A; (c) FZ and HAZ, 90 A; (d) WZ, 90 A

图2. Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝在不同焊接电流时所得焊接接头的显微组织；(a)焊接电流为75 A的焊缝区；(b) 焊接电流为75 A的熔合区与热影响区；(c)焊接电流为90 A的熔合区与热影响区；(d)焊接电流为90 A的焊缝区

3.3. 焊接接头的力学性能

3.3.1. 焊接接头的显微硬度

图3是不同焊接电流下焊接接头截面的维氏硬度分布，从焊缝中心到热影响区再到母材，显微硬度首先下降，在熔合区达到了最低的显微硬度，再沿远离焊缝中心方向显微硬度逐渐上升，最后趋于稳定，达到母材5052的硬度(约为70 HV)。显微硬度分布的总体趋势为母材区 > 焊缝区 > 热影响区 > 熔合区。

(a) 显微硬度在焊缝区域取点位置示意图 (b) ER5356焊丝 (c) Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝

Figure 3. Microhardness of welded joints at different welding currents

图3. 两种焊丝在不同焊接电流下所得焊接接头的显微硬度

对ER5356焊丝而言(见图3(b))，焊接接头的焊缝区随着焊接电流从75 A增加到90 A，其接头软化程度增加，焊缝中心区显微维氏硬度从68.27 HV降低到62.43 HV，接近母材区域的硬度趋近于67~70 HV，焊接接头区域的显微硬度相比母材显微硬度降低了大约8.0 HV，硬度最低值出现在熔合区和热影响区的临界处。随着焊接电流的增大，热输入量增大，焊缝区宽度增大；同时硬度最低值出现的位置也不一致，大概在距离焊缝中心3~5 mm处。焊缝熔池区凝固以后的硬度低、塑性较差，主要是因为热输入量大造成镁元素的烧损，冷却后焊缝中不能析出足够多的Al₃Mg₂等弥散强化相。对自制Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝而言(见图3(c))，焊接接头的硬度分布区域与图3(b)相对应，焊缝区硬度最小值为51 HV，低于ER5356焊丝。这是因为Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝是在实验室制备的，焊丝本身的气孔、氧化皮夹渣、组织不均匀等缺陷较多导致焊接缺陷较多，也使得热输入量对硬度的影响规律与ER5356焊丝焊接接头相比不明显。

3.3.2. 焊接接头的拉伸性能

5052铝合金用不同的焊丝焊接时所得接头的拉伸性能如表2所示。对ER5356焊丝而言，焊接速度为40 cm/min时，焊接电流从75 A增大到90 A，随着热输入量逐渐增大，抗拉强度先增大后减小。这是因为热输入量过大，表面会有大量的黑色沉积物，焊缝区晶粒粗大，以及热影响区受热过多，使得焊接接头局部发生过热，温度远高于再结晶温度，形成一个过时效区，晶粒组织粗大，强化相也会被溶解，从而降低力学性能。ER5356焊丝的焊接接头抗拉强度都达到了母材的83%以上。ER5356焊丝最佳焊接工艺是焊接电流为80 A，焊接速度为40 cm/min时，焊接接头最大抗拉强度为214.2 MPa，延伸率为13.9%，强度达到母材的90.86%。自制Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝当焊接电流为90 A，焊接速度为40 cm/min时，焊接接头的抗拉强度为约204.7 MPa，达到母材的87%，与ER5356焊丝焊接接头的最大抗拉强度相差不大。ER5356焊丝的断裂位置多在热影响区，而Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝的断裂位置多在焊缝区。

3.4. Al-Mg-In系焊丝焊接接头断口形貌

图4为用Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝焊接5052母材时所得接头断口的形貌。当焊接电流为75 A时，为韧性断口，韧窝较深较大，但在韧窝的窝低有较多的颗粒状的裂纹源；当焊接电流为85 A时，也为韧性断口，韧窝较深较小，塑性较好；焊接电流为90 A时，韧窝变得较浅，塑性较差。上述断口的分布规律与表2中用Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝焊接5052母材时所得到的抗拉强度相一致。

Table 2. Tensile properties of welded joints of 5052 aluminum alloy using different welding wires

表2. 5052铝合金用两种不同焊丝焊接时所得焊接接头的拉伸性能

Figure 4. SEM of tensile fracture of welded joints using Al-5.4 Mg-0.13 In welding wire; (a) 75 A, 40 cm/min; (b) 85 A, 40 cm/min; (c) 90 A, 40 cm/min

图4. Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝焊接5052铝合金所得拉伸断口的SEM；(a) 75 A、40 cm/min；(b) 85 A、40 cm/min；(c) 90 A、40 cm/min

4. 结论

1) Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝焊接接头抗拉强度与传统ER5356焊丝焊接接头强度相差不大。当焊接电流为90 A，焊接速度为40 cm/min时，用自制Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝焊接所得接头的抗拉强度约为204.7 MPa，达到母材的86.9%。而用ER5356焊丝时，则为202.9 MPa，达到母材的86.1%。

2) 在相同的MIG焊接工艺参数下，用Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝焊接所得焊缝的铺展面积明显大于ER5356焊丝，Al-5.4 Mg-0.13 In焊丝具有好的润湿性。

基金项目

广西创新驱动发展专项资金项目(桂科AA17202011-1)；广西有色金属及特色材料加工重点实验室资助项目(GXYSSF1809)。

NOTES

^*通讯作者。