焊接返修对6082-T6铝合金接头组织与力学性能的影响

焊接返修对6082-T6铝合金接头组织与力学性能的影响

杨凡，刘杰，胡来荣，王家祥，皇甫鹏，井义尧

(长春工程学院 机电工程学院，吉林长春 130012)

摘要：采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）对厚板6082-T6铝合金板材分别进行未返修、返修3次及返修5次的焊接实施，应用光学显微镜及电子拉伸试验机等对接头组织与力学性能进行研究。结果表明：在本试验范围内，焊接返修次数对焊接接头显微组织的影响不明显；焊修返修对接头拉伸性能有一定的影响，未返修接头的抗拉强度和延伸率分别是230.55MPa和12.94%，焊接返修3次、5次焊接接头的抗拉强度和延伸率分别为200.20MPa和10.05%、202.13MPa和8.66%。

关键词：焊接返修；MIG焊；接头；组织；力学性能

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0 前言

铝合金车体具有重量轻，耐腐蚀，外观平整度好和易于制造复杂美观曲面车体等优点而受到世界各城市交通公司和铁道运输部门的欢迎[1]. 随着列车速度不断提高以及轻量化发展需求，对铝合金车体结构、接头强度及其安全性要求越来越高. 采用薄壁铝合金挤压型材和熔化自动焊相结合的制造方式，增加了结构集成和减轻了整车重量. 针对关键厚板部件，如枕梁、牵引梁及车钩座板等部件多层MIG焊，仍为轨道车辆铝合金车体部件的主要焊接方法之一[2-4]。

轨道车辆运行工况复杂，服役周期长，在运行过程中铝合金结构中底架等关键部件难以避免会产生裂纹等质量问题[5-7]，若直接将零件或车辆进行报废，势必造成巨大浪费，采用焊接修复往往为首选方案。

本文采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）对10mm-6082-T6铝合金板材分别进行未返修、返修3次及返修5次的焊接实施，研究焊接返修对铝合金接头组织及力学性能的影响，为轨道车辆铝合金焊接结构的修复及再制造利用提供一定的理论依据。

1 试验材料与方法

试验选用轨道客车车体常用铝合金材料，经固溶处理和人工时效处理的铝合金6082-T6板材作为母材。试验所用板材厚度为10mm，尺寸为300mm*150mm*10mm，如图1.1所示。铝合金6082-T6母材化学成分见表1-1。试验选用Φ1.2mm规格的ER 5087铝合金焊丝作为焊接材料，母材及焊丝的化学成分见表1-1。

图 1.1 6082-T6试板组对示意图

表 1-1铝合金6082-T6母材及ER5087焊丝化学成分（wt.%）

采用半自动熔化极惰性气体保护MIG焊方法，设备为肯倍（KEMPPI）焊机，预热温度为80-100℃，焊接电流为210-230A，焊接电压为22-25V，保护气体及流量为纯氩气18-22 L/min。为防止焊接过程中存在热影，响变形，通过C型钳、F型钳进行固定，并预制一定的焊前反变形。采用MIG焊施焊，补焊时候采用机械加工方法将原有焊缝剔除，距熔合线留1-1.5mm余量。保留焊接前的坡口形状，按照初次的焊接工艺参数进行补焊，焊接采用三层四道对接MIG焊，焊接坡口角度为60-70°，间隙2-3mm。

焊接试验完成后，按照ISO 15614标准，机加制取金相和拉伸试样[8]。拉伸试验在室温条件下，在CMT4304型电子万能试验机上，加载速率10mm/min，试样尺寸如图1.2所示。

图1.2 拉伸试样尺寸图

2 试验结果与分析

2.1接头宏观形貌分析

图2.1为10mm厚铝合金6082-T6板材在不同焊接次数下MIG焊接头宏观形貌。焊接采用三层四道焊，其中a、b为未焊修的接头形貌，c、d为焊修3次的接头形貌，e、f为焊修5次的接头形貌。

由图可见，焊修次数对焊接接头的宏观形貌影响不明显，焊缝表面成型良好，没有咬边、焊瘤、未熔合、烧穿、开裂等缺陷，焊道与焊道之间熔合良好，无明显缺欠，仅在焊修3次实验条件下的接头低倍组织中，发现少量细小的气孔。

(a) 未焊修接头低倍组织 (b) 未焊修焊缝表面形貌

(c) 焊修3次接头低倍组织 (d) 焊修3次焊缝表面形貌

(e) 焊修5次接头低倍组织 (f) 焊修5次焊缝表面形貌

图 2.1不同焊修次数试验条件下的接头宏观形貌

2.2接头微观组织分析

图2.2为10mm厚铝合金6082-T6板材在不同焊修次数的接头微观组织形貌。图2.2(b)、(d)、(e)分别为接头未焊修、焊修3次和焊修5次的接头热影响区的显微组织。由图综合分析，焊缝中心为细小的等轴晶（图2.2a）；在邻近熔合线的焊缝区主要为胞状晶，胞状晶的生长方向近似垂直于熔合线。随着晶体生长，胞状晶转变为胞状树枝晶、树枝晶，在焊缝的中心位置树枝晶转变为等轴晶；热影响区的微观组织主要与焊接热循环导致第二相的溶解、析出有关（图2.2b）；母材区为晶粒较为粗大，呈长条状分布，具有明显的压延成型的典型组织特征，α(Al)固溶体基体上分布有大量强化相Mg

2Si，且残留少量黑色铸态Mg2Si初晶（图2.2c）。

由于每次补焊前都将焊缝全部清除，重新进行焊接。在改变焊修次数的情况下，接头组织的基本形态未发生明显的改变。随着焊修次数的增加，邻近熔合线的热影响区的胞状晶组织出现粗化（图2.2d、e）。由于铝合金结晶温度区间较宽，靠熔合线的焊缝晶粒沿散热方向呈柱状晶，熔合区晶粒粗化。

2.3接头力学性能分析

依据ISO15614[8]对焊接接头进行了拉伸试验，表2-1 为铝合金6082-T6接头拉伸性能。由数据分析可知，焊修次数对铝合金6082-T6焊接接头拉伸性能影响较大。未焊修接头的抗拉强度和延伸率分别是230.55MPa和12.94%，焊修3次、5次焊接接头的抗拉强度和延伸率分别为200.20MPa和10.05%、202.13MPa和8.66%。随着焊接接头焊修次数的增加，焊接接头的抗拉强度从230.55MPa降低到202.13MPa，延伸率从12.94%降低到8.66%，降低较为明显。

            (a) 焊缝区

(b) 热影响区（未焊修）      (c)母材区 C

(d) 热影响区（焊修3次）    (e) 热影响区（焊修5次）

图2.2不同焊接次数下MIG焊接头微观组织形貌

表2-1 接头拉伸性能

3结论

(1) 焊接接头由母材区、热影响区和焊缝区3部分组成。母材区组织的晶粒呈长条状分布，具有明显的压延成型的典型组织特征；焊缝中心为细小的等轴晶；在邻近熔合线的焊缝区主要为胞状晶，胞状晶的生长方向近似垂直于熔合线。随着焊修次数的增加，接头组织的基本形态未发生明显的改变，邻近熔合线的热影响区的胞状晶组织出现粗化现象。

(3) 焊修次数对接头拉伸性能有一定的影响。未焊修接头的抗拉强度和延伸率分别是230.55MPa和12.94%，焊修3次、5次焊接接头的抗拉强度和延伸率分别为200.20MPa和10.05%、202.13MPa和8.66%。

参考文献

[1] 王炎金．铝合金车体焊接工艺［M］．北京: 机械工业出版社，2009．

[2] 邓钢，刘杰. 轨道车辆铝合金车体焊接现状及搅拌摩擦焊新技术应用[J].电焊机，2015,45（6）：137-140.

[3] 王恩泽. 6082-T6铝合金MIG焊接头微观组织及力学性能的研究[D].吉林，吉林大学，2013.

[4] 汤小红，钟丽萍，庞涛. Al-Mg-Si 6082合金氩弧焊焊接接头的力学性能与微观组织[J].焊接技术，2010,39（3）：14-16.

[5] 王陆钊，李春梓，唐衡郴. 6082-T6铝合金补焊数值模拟[J].热。加工工艺，2014,43（21）：182-187.

[6] 卢勇，黎澍，申天. 地铁铝合金车体牵引梁裂纹原因分析及修复[J].机电工程技术，2022，51（12）：301-303.

[7] 陶富文，崔云龙. 6082铝合金三次焊接修补后的疲劳性能研究[J].电焊机，2014,44(7):104-105.

[8] 国际标准化组织委员会(ISO).金属材料焊接工艺规程及评定-焊接工艺评定试验第二部铝及铝合金的弧焊，ISO15614-2：2005[S].瑞士出版社,2020.

基金项目：校企合作《铝合金焊修对接头组织及力学性能的影响规律》横向课题项目（220220052）；大创项目，铝合金焊接返修对接头组织与性能的影响（S202311437086）。

第一作者简介：杨凡，男，汉族，长春工程学院，国家励志奖学金等获得者，参与国家级大创项目1项、省级大创项目1项。.

通讯作者简介：刘杰，女，满族。长春工程学院，主要从事先进焊接技术的科研和教学的工作。

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