Welding Procedure &amp; Residual Stress of 6082 6082-T6 Aluminum Alloy Medium Plate Butt Welded Joint by High-frequency Pulse MIG Welding Process

ZHANG Ya; DAI Zhongchen; LI Dongfeng; QU Zongqing; LIU Yuyang; WANG Wenchao; DING Chenggang; FENG Han

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2023.12.12

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Welding Procedure & Residual Stress of 6082 6082-T6 Aluminum Alloy Medium Plate Butt Welded Joint by High-frequency Pulse MIG Welding Process
- role： First author 第一作者
- Affiliation：
  CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co., Ltd., Nanjing 210031, China
- Email： csrzhangya@163.com
- Introduction：张　亚（1982—），男，高级工程师，主要从事轨道交通车辆制造相关研究。E-mail：csrzhangya@163.com。
ZHANG Ya
1 ,
- Affiliation：
  CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co., Ltd., Nanjing 210031, China
DAI Zhongchen
1 ,
- Affiliation：
  School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China
LI Dongfeng
2 ,
- Affiliation：
  School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China
QU Zongqing
2 ,
- Affiliation：
  School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China
LIU Yuyang
2 ,
- Affiliation：
  School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China
WANG Wenchao
2 ,
- Affiliation：
  School of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China
DING Chenggang
2 ,
- Affiliation：
  Ansteel Group, Anshan 114011, China
FENG Han
3
Vol. 53, Issue 12, Pages: 76-80(2023)
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.12.12

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张亚，戴忠晨，李东风，等.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［J］.电焊机，2023，53（12）：76-80.

ZHANG Ya, DAI Zhongchen, LI Dongfeng, et al.Welding Procedure & Residual Stress of 6082 6082-T6 Aluminum Alloy Medium Plate Butt Welded Joint by High-frequency Pulse MIG Welding Process[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(12): 76-80.
张亚，戴忠晨，李东风，等.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［J］.电焊机，2023，53（12）：76-80. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.12.12.

ZHANG Ya, DAI Zhongchen, LI Dongfeng, et al.Welding Procedure & Residual Stress of 6082 6082-T6 Aluminum Alloy Medium Plate Butt Welded Joint by High-frequency Pulse MIG Welding Process[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(12): 76-80. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.12.12.

Welding Procedure & Residual Stress of 6082 6082-T6 Aluminum Alloy Medium Plate Butt Welded Joint by High-frequency Pulse MIG Welding Process

ZHANG Ya ; DAI Zhongchen ; LI Dongfeng ; QU Zongqing ; LIU Yuyang ; WANG Wenchao ; DING Chenggang ; FENG Han ;

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Abstract

In this paper,welding procerure test of 6082 aluminum alloy medium plate butt joint were done using high-frequency pulse MIG welding and conventional pulse MIG welding processes with a 1 mm gap, plate thickness 8 mm, and a groove angle of 50° and 60° respectively; The macroscopic morphology of welded joints(welding appearance)and the residual stress at welding toe after welding were studied. The experimental results showed that welding appearance were better for two welding processes, compared with conventional pulse MIG welding process,high-frequency pulse MIG welding process possessed deeper penetration,wider fusion width,lower porosity sensitivity and welding residual stress. Compared with conventional pulse MIG welding process,when groove angle was 50°,at the same welding heat imput(10.7 kJ/cm),root fusion width increased about 20% by high-frequency pulse MIG welding process,about 16% when 60° groove angle.Transverse residual stress(σ_y) at welding toe decreased about 18.5% when groove angle was 60° by high-frequency pulse MIG welding process,about 8.5% for longitudinal residual stress(σ_x).When groove angle was 50°,transverse residual stress(σ_y) at welding toe decreased about 18% ,7% for longitudinal residual stress(σ_x) by high-frequency pulse MIG welding process.Decreased from 60° to 50° for groove angle ,residual stress at welding toe decreased about 6% by high-frequency pulse MIG welding.

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Keywords

6082-T6 aluminum alloy medium plate; high frequency pulse MIG deep penetration welding; butt welding procedure; welding residual stress; welding porosity

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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^{［Reference 2-3

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^{［Reference 4-7

4-7］}。

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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。

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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。

transl

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。

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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 inlinegraphic 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。

transl

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.%）

材料

6082-T6

（8 mm）

标称

0.7~1.3

≤0.5

≤0.1

0.4~1.0

实测

1.006

0.342

0.028

0.534

熔敷金属ER5356

0.25

0.40

0.10

0.05~0.20

材料

6082-T6

（8 mm）

标称

0.6~1.2

≤0.25

≤0.2

≤0.1

余量

实测

0.824

0.133

0.026

0.01

余量

熔敷金属ER5356

4.50~5.50

0.05~0.20

0.10

≤0.10

余量

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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

材料

屈服强度

/MPa

抗拉强度

/MPa

断后伸长率

/％

6082-T6

（8 mm）

标称

≥240

≥295

≥8

实测

253~257

312~315

11~13

熔敷金属ER5356

110

240

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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。

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表3 拟定的焊接工艺参数

Table 3 Proposed welding process parameters

序号/ 工况	焊法	接头条件			焊接参数					E /（kJ·cm^-1）	E_总 /（kJ·cm^-1）
序号/ 工况	焊法	坡口角度 α/°	间隙 b/mm	钝边 c/mm	焊层/ 焊道数	电流 /A	电压 /V	焊速 /（cm·min^-1）	脉冲频率 /Hz	E /（kJ·cm^-1）	E_总 /（kJ·cm^-1）
G601	高频脉冲 MIG	60	1	0.5	1/1	205	24	50	250	4.72	10.82
G601		60	1	0.5	2/1	220	26	45		6.1	10.82
G501		50	1	0.5	1/1	200	24	50		4.6	10.7
G501		50	1	0.5	2/1	220	26	45		6.1	10.7
O601	常规脉冲 MIG	60	1	0.5	1/1	215	25	45	200	5.73	12.09
O601		60	1	0.5	2/1	225	26.5	45		6.36	12.09
O501		50	1	0.5	1/1	210	24	50		4.83	10.7
O501		50	1	0.5	2/1	220	25	45		5.87	10.7

注： E—每个焊层（焊道）的焊接线能量；E_总—每个焊层（焊道）焊接线能量之和。

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图1 接头示意

Fig.1 Joint condition sketch map

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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。

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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σ_x为纵向残余应力，σ_y为横向残余应力。

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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。

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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

工况	焊缝成形系数Φ（B/H）	余高系数ψ（B/h）	盖面熔宽B/mm	根部熔宽B_R/mm
G501	1.6	5.81	12.8	6.0
O501	1.4	4.67	11.2	5.0
G601	1.95	7.80	15.6	5.0
O601	1.88	6.82	15.0	4.3

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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，B_R值高出约20%，60°坡口时，B_R值高出约16%。

transl

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）B_R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。

transl

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］。

transl

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

（a）脉冲MIG焊　　　　　（b）高频脉冲MIG焊

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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σ_y均值下降约18.5%，纵向残余应力σ_x值下降约8.3%；坡口角度为50°，横向残余应力σ_y均值下降约15%，纵向残余应力σ_x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%。

transl

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

工况	测试区域	残余应力/MPa
工况	测试区域	（σ_y）横向	平均	（σ_x）纵向	平均
G601 E=10.82 kJ/cm	起弧	51	53	118	120
	中间	57		125
	收弧	50		116
O601 E=12.9 kJ/cm	起弧	61	65	124	130
	中间	72		139
	收弧	62		128
G501 E=10.7 kJ/cm	起弧	49	50	113	114
	中间	53		119
	收弧	48		110
O501 E=10.7 kJ/cm	起弧	57	61	118	123
	中间	68		132
	收弧	59		120

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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，σ_y均值下降约15%，σ_x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］。

transl

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。

transl

（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%。

transl

（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。

transl

（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σ_y值降低约为18.5%，纵向残余应力σ_x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σ_y值降低约为18%，纵向残余应力σ_x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%。

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参考文献

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编辑部网址：http：//www.71dhj.com [Baidu Scholar]

摘要

采用高频脉冲MIG焊和常规脉冲MIG焊进行了6082-T6铝合金8 mm厚板的对接焊工艺试验（焊接接头条件：焊接间隙1 mm，钝边为0.5 mm、坡口角度分别为50°和60°），对比分析了焊缝成形规律及焊后焊趾处的残余应力值。研究结果表明：两种焊接方法的焊缝成形质量良好，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°时，根部熔宽增加约16%；与常规脉冲MIG焊相比，高频脉冲MIG焊的气孔敏感性较小，焊接残余应力较小。坡口角度为60°时，横向残余应力（,σ,y,）降低约为18.5%，纵向残余应力（,σ,x,）下降约为8.3%；坡口角度为50°，横向残余应力（,σ,y,）降低约为18%，纵向残余应力（,σ,x,）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下降约6%。

Abstract

In this paper,welding procerure test of 6082 aluminum alloy medium plate butt joint were done using high-frequency pulse MIG welding and conventional pulse MIG welding processes with a 1 mm gap, plate thickness 8 mm, and a groove angle of 50° and 60° respectively; The macroscopic morphology of welded joints(welding appearance)and the residual stress at welding toe after welding were studied. The experimental results showed that welding appearance were better for two welding processes, compared with conventional pulse MIG welding process,high-frequency pulse MIG welding process possessed deeper penetration,wider fusion width,lower porosity sensitivity and welding residual stress. Compared with conventional pulse MIG welding process,when groove angle was 50°,at the same welding heat imput(10.7 kJ/cm),root fusion width increased about 20% by high-frequency pulse MIG welding process,about 16% when 60° groove angle.Transverse residual stress(,σ,y,) at welding toe decreased about 18.5% when groove angle was 60° by high-frequency pulse MIG welding process,about 8.5% for longitudinal residual stress(,σ,x,).When groove angle was 50°,transverse residual stress(,σ,y,) at welding toe decreased about 18% ,7% for longitudinal residual stress(,σ,x,) by high-frequency pulse MIG welding process.Decreased from 60° to 50° for groove angle ,residual stress at welding toe decreased about 6% by high-frequency pulse MIG welding.

关键词

6082-T6铝合金中厚板高频脉冲MIG深熔焊对接焊工艺，焊接残余应力焊接气孔

Keywords

6082-T6 aluminum alloy medium platehigh frequency pulse MIG deep penetration weldingbutt welding procedurewelding residual stresswelding porosity

references

杜则裕.焊接科学基础—材料焊接科学基础［M］.北京：机械工业出版社，2012.

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Microstructure and Properties of High Frequency Pulse MIG Butt Joint for 6082 Aluminum Alloy Plate

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Welding Procedure & Residual Stress of 6082 6082-T6 Aluminum Alloy Medium Plate Butt Welded Joint by High-frequency Pulse MIG Welding Process

ZHANG Ya

DAI Zhongchen

LI Dongfeng

QU Zongqing

LIU Yuyang

WANG Wenchao

DING Chenggang

FENG Han

DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.12.12

Abstract

Keywords

0 前言

1 试验材料与试验方法

1.1 试验母材及焊接材料

1.2 焊接工艺试验

1.3 接头的宏观形貌/焊缝成形分析

1.4 焊接接头残余应力的测试

2 试验结果与分析

2.1 焊接接头的宏观形貌/焊缝成形

2.2 焊接接头残余应力结果与分析

3 结论

参考文献

摘要

Abstract

关键词

Keywords

references