Optimization on MIG Welding Processing Parameters of 7A52 Aluminum Alloy Medium-Thickness Plate

7A52铝合金中厚板MIG焊接工艺优化 Optimization on MIG Welding Processing Parameters of 7A52 Aluminum Alloy Medium-Thickness Plate first-author 陈鹏达（1989—），男，工程师，硕士，主要从事有色金属焊接方面的研究工作。 陈鹏达（1989—），男，工程师，硕士，主要从事有色金属焊接方面的研究工作。 哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028 哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028 Harbin Welding Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028， China Harbin Welding Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028， China 针对7A52铝合金中厚板熔化极惰性气体保护焊（MIG）焊缝成形差、接头系数低等问题，采用半自动MIG、以ER5356焊丝为填充材料对20 mm厚7A52铝合金板材进行不同焊接工艺参数下的焊道成形试验。测量不同焊接工艺参数下的焊道熔深、熔宽、余高、润湿角等焊道成形特征，选出最佳工艺参数。采用最佳工艺参数进行20 mm厚对接试板的焊接，焊接完成后通过X射线检测、力学性能试验、显微组织观察等测试方法研究对接接头的各项性能。结果表明，ER5356焊丝焊接接头的抗拉强度平均值为302.5 MPa，对接接头系数平均值为0.74，试样断裂位置均为焊缝区；接头的弯曲性能良好，未出现裂纹等缺陷；焊接接头焊缝区硬度值最低，为焊接接头最薄弱区域，与拉伸试验试件断裂位置相符合；焊接接头和熔敷金属的力学性能较好。 In this paper，aiming at the problems of poor metal Inert gas Welding （MIG） weld forming and low joint coefficient of 7A52 medium-thickness plate , taking 7A52 aluminum alloy as the research object, semi-automatic MIG was used to conduct weld bead forming tests on ER5356 wire under different welding parameters. After the test, weld bead forming characteristics such as weld penetration, weld width, weld bead remaining-height, weld wetting angle under different welding processing parameters were measured. Optimize the optimal processing parameters. The optimized process parameters was used to weld the deposited metal and butting joint. After the welding, through the testing methods include X-ray detection, mechanical property test, microstructure observation, the performance of welding butting joint using ER5356 wire was studied. The results show that the average tensile strength for butting joint is 302.5 MPa and the joint coefficient is 0.74 respectively. The fracture position of the butting joint located in the weld zone. The bending performance of the butting joint is good, without cracks and other defects. The hardness value of the weld zone is the lowest, indicating that the weld zone is the weak zone of the welding joint, which is consistent with the fracture position of the tensile test specimen. The mechanical properties and welding properties of butting joints and deposited metals are good. 工艺参数 接头系数 焊道成形 抗拉强度 processing parameters joint coefficient welding bead forming tensile strength 前言 1 7A52铝合金是我国自行研制的Al-Zn-Mg系装甲铝合金，具有比强度高、断裂韧性好、耐蚀性好、无磁性、抗低周疲劳性能优良等特点，已广泛应用于装甲车辆的车体、炮架、防护单元板等构件上，是国军标唯一的高强可焊铝合金，目前在航空航天、轨道交通等领域也得到了批量应用 ［ 1 1 - 6 6 1-6 ］ 。7A52铝合金板材主要采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）和搅拌摩擦焊（FSW） ［ 7 7 - 9 9 7-9 ］ 。FSW焊接质量较好，但操作不够灵活，对于复杂焊缝的金属结构不大适应，加之设备成本较高，所以绝大多数行业仍然采用MIG焊。7A52铝合金常用焊丝为ER5356 ［ 10 10 ］ 。余进 ［ 11 11 ］ 等人采用双丝MIG焊得到了性能良好的7A52铝合金焊接接头，大多数试样接头的抗拉强度大于280 MPa，焊接系数约为0.7。虽然MIG焊可使用的电流范围较大，但是由于MIG焊能量密度较低，且不够集中，在焊接导热率极高的铝合金时，熔深十分有限。若要获得大熔深，则需要较高的热输入量和较低的焊接速度，但这会导致焊接接头组织粗大、力学性能变差，且在厚板焊接过程中需要进行多道焊接，造成缺陷累加，焊后工件会出现严重变形。章友谊等 ［ 12 12 ］ 利用进口5356焊丝对7A52铝合金进行双面MIG焊接，接头抗拉强度近300 MPa，焊缝组织由α（Al）+β（Mg 2 Al 3 ）相组成，产生这种结果的原因是在较大电流下Zn几乎都被蒸发掉了。虽然双丝MIG焊接头质量整体较优，但牺牲的是焊机的灵活性，需要两台焊机和一个通讯装置来保证焊接过程两个电弧之间互不干扰，控制过程复杂、难度大。单丝MIG焊机轻巧方便、机动灵活，强度能够得到应用保证，在实际应用中起着不可替代的作用。 本文先采用单丝MIG方法在20 mm厚7A52铝合金板材上进行焊接工艺试验，然后采用焊接工艺试验优化后的工艺参数进行熔敷金属和对接接头的焊接，焊后进行无损探伤、力学性能试验、显微组织观察等，以期为制定ER5356焊丝焊接7A52铝合金MIG焊接工艺提供理论和实验依据。 试验材料与方法 1 焊接熔覆金属和对接接头的母材为20 mm厚7A52铝合金，保护气体为质量分数为99.999%的氩气，焊接设备为福尼斯 MIG TPS5000型半自动焊机。采用1.6 mm的ER5356焊丝，母材及焊丝的化学成分如 表1 表1 所示。7A52母材抗拉强度为501 MPa。 材质 Si Fe Mn Mg Cr Cu Zn Ti Zr Al 7A52 0.052 0.13 0.31 2.29 0.19 0.11 4.5 0.110 0.1 余量 ER5356 0.045 0.16 0.14 4.66 0.13 — — 0.087 — 余量 对接接头试板规格320 mm×150 mm×20 mm，接头坡口形式示意如 图1 图1 所示；熔敷金属试验试板规格150 mm×125 mm×20 mm，坡口形式示意如 图2 图2 所示。试验前打磨坡口两侧30 mm的部位及坡口内部，避免板材上的油污及氧化膜等对焊接质量的影响。 对接试验完成后，对试板进行X射线检验，执行标准GB/T 3323.1—2019《焊缝无损检测 射线检测 第一部分：X和伽玛射线的照片技术》，检验合格后制备金相试样和拉伸试样。焊缝横截面经研磨、NaOH-H 2 O溶液浸蚀后，用光学金相显微镜观察焊接接头金相组织，拉伸试验按照GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》执行，硬度测量按照GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》进行。 试验结果与分析 1 焊道成形试验 2 在不同的焊接热输入下，采用ER5356焊丝在7A52试板上进行焊道成形试验，工艺参数如 表2 表2 所示。截取焊缝中间段横断面，如 图3 图3 所示，采用金相显微镜测量焊道横截面的熔宽、熔深、余高、润湿角等焊道成形特征，测量结果如 表3 表3 所示。 焊道编号 焊接电流/A 焊接电压/V 焊接速度/（mm·min -1 ） 焊接热输入/（kJ·mm -1 ） 气体流量/（L·min -1 ） 1 200 20.0 350 0.69 25 2 240 21.4 350 0.88 25 3 280 22.6 350 1.08 25 4 320 23.5 350 1.29 25 5 340 24.8 350 1.45 25 1;2;3;4;5; 焊接热输入/（kJ·mm -1 ） 熔宽/mm 熔深/mm 余高/mm 润湿角（左）/（°） 润湿角（右）/（°） 0.69 9.4 2.5 3.4 89.1 78.7 0.88 10.8 3.3 3.7 61.5 56.9 1.08 11.8 4.4 3.9 57.6 57.3 1.29 13.1 6.0 4.4 57.5 55.2 1.45 13.7 6.4 4.3 60.5 52.1 不同热输入下的焊道成形尺寸如 图4 图4 所示，随着热输入的增加，焊道的熔宽、熔深增长明显而余高变化不大。不同热输入下的焊缝深宽比变化趋势如 图5 图5 所示，随着热输入的增加，焊缝深宽比逐渐增加。不同热输入下的焊道两侧润湿角平均值及差值变化如 图6 图6 所示，随着焊接热输入的增加，焊缝两侧的润湿角平均值逐渐减小，当焊接热输入超过0.88 kJ/mm，润湿角两侧平均值减小得不明显，焊接热输入为1.08 kJ/mm时，焊缝的润湿角左右两侧均匀一致，相差最小，仅相差0.3°（57.6°，57.3°），焊缝两侧的润湿角均匀一致，焊缝成形美观，有利于熔敷金属、对接接头焊接时的焊道排布，获得更好的层道间的焊缝熔合。此工艺参数下，焊道熔宽为11.8 mm，熔深为4.4 mm，余高为3.9 mm，焊缝的深宽比为0.37，成形良好，因此采用此焊接工艺参数进行对接接头的焊接。 焊接接头金相组织分析 2 采用优化的工艺参数进行对接接头焊接，焊接完成后进行X射线无损探伤，探伤结果为Ⅰ级，合格。对接接头宏观形貌见 图7a 图7a ，断面成形良好，未发现裂纹、气孔、夹渣等超标缺陷。试样横截面焊缝中心金相形貌见 图7b 图7b ，可观察到晶内分布着许多细小的沉淀析出相，为焊缝中的强化析出相MgZn 2 ，对焊缝起到一定的强化作用。热影响区金相形貌见 图7c 图7c ，母材金相形貌见 图7d 图7d ，略呈带状分布特征，这是轧制过程中化合物破碎后沿压延方向排列所致 ［ 13 13 - 14 14 13-14 ］ 。 焊接接头力学性能分析 2 焊接接头的拉伸试验结果如 表4 表4 所示，接头抗拉强度平均值为302.5 MPa，与相关研究中采用ER5356焊丝焊接7A52试板获得的对接接头强度值274.8 MPa ［ 15 15 ］ 、298.3 MPa ［16］ 、267 MPa ［ 10 10 ］ 相当。ER5356焊丝熔敷金属抗拉强度值为285 MPa。因焊材与母材为低强度匹配关系，且强度差异大，所以试样断裂位置均为焊缝区。7A52铝合金焊接接头的拉伸性能实际为焊缝性能。接头强度高于熔敷金属强度的原因是母材中Zn元素过渡到焊缝中，形成强化相，导致焊缝强度提高。对接接头的成分分布EDS检测结果如 图8 图8 所示，可明显看出从母材到焊缝Zn元素的成分变化，焊缝中心的成分分布EDS检测结果如 图9 图9 所示。 抗拉强度/MPa 断裂位置 接头系数 295 焊缝 0.72 310 焊缝 0.76 1;2;3;4; 1,2; 焊接接头的弯曲试验结果表明，接头具有良好的弯曲性能，未出现裂纹等缺陷。 焊接接头硬度测试位置如 图7a 图7a 所示，硬度分布如 图10 图10 所示，母材测试间距4 mm，热影响区测试间距3 mm，焊缝测试间距1 mm，接头热影响区宽度15 mm，对接接头硬度分布曲线表明，焊缝区硬度最低，这与拉伸试验断裂在焊缝的结果相互印证。 结论 1 （1）焊道成形试验结果表明，焊接热输入为1.08 kJ/mm时，焊道成形最优，焊缝成形美观，采用此热输入进行7A52铝合金试板的焊接，焊后表面成形良好，产生飞溅较小，无咬边、裂纹等焊接缺陷，焊接对接接头、熔敷金属，X射线探伤结果为一级合格。 （2）对接接头的宏观形貌显示焊缝熔合情况良好。通过对对接接头横截面进行微观组织观察，焊缝组织晶内分布着许多细小的沉淀析出相，为焊缝中的强化析出相，对焊缝起到一定的强化作用；母材组织略呈带状分布特征，这是由于在轧制过程中化合物破碎后沿压延方向排列所致。 （3）7A52铝合金焊接接头抗拉强度平均值达到302.5 MPa，对接接头系数平均值为0.74。试样断裂位置均为焊缝区。接头的弯曲性能良好，未出现裂纹等缺陷。焊接接头焊缝区硬度值最低，表明焊缝区为焊接接头最薄弱区域，与拉伸试验试件断裂位置相符合。 参考文献 黄兰萍 ， 陈康华 ， 李松 ， 等 . 高温预析出对Al-Zn-Mg铝合金组织、力学性能和应力腐蚀性能的影响 ［J］. 中国有色金属学报 ， 2005 ， 15 （ 5 ）： 727 - 733 ． 高温预析出对Al-Zn-Mg铝合金组织、力学性能和应力腐蚀性能的影响 HUANG L P ， CHEN K H ， LI S ， et al . 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