焊接热源模式对5083-H111铝合金接头性能的影响

doi:10.11901/1005.3093.2024.140

焊接热源模式对5083-H111铝合金接头性能的影响

符纯国¹^,², 徐世伟¹^,², 杨晓益^,¹^,², 李萌蘖^,¹^,²

1.昆明理工大学材料科学与工程学院昆明 650032

2.云南省高端轻合金集成计算材料工程重点实验室昆明 650032

Effect of Welding Heat Source Mode on Microstructure and Properties of Weld Joints for 5083-H111 Al-alloy

FU Chunguo¹^,², XU Shiwei¹^,², YANG Xiaoyi^,¹^,², LI Mengnie^,¹^,²

1.Faculty of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650032, China

2.Yunnan Key Laboratory of Integrated Computational Materials Engineering for Advanced Light Metals, Kunming 650032, China

通讯作者: 杨晓益，副教授，yangxiaoyi@kust.edu.cn，研究方向为先进焊接及电弧增材制造李萌蘖，教授，limengnie@kust.edu.cn，研究方向为金属材料加工集成计算材料工程方面研究

责任编辑: 黄青

收稿日期: 2024-04-01 修回日期: 2024-11-08

基金资助:

云南省基础研究计划(202501AT070354)
云南省重点研发计划(202203AE140011)

Corresponding authors: YANG Xiaoyi, Tel:(0871)65915828, E-mail:yangxiaoyi@kust.edu.cnLI Mengnie, Tel:(0871)65109952, E-mail:limengnie@kust.edu.cn

Received: 2024-04-01 Revised: 2024-11-08

Fund supported:

Yunnan Fundamental Research Projects(202501AT070354)
Key Research & Development Program of Yunnan Province(202203AE140011)

作者简介 About authors

符纯国，男，1999年生，硕士生

摘要

在焊接热输入相同的条件下对比研究了直流反接的熔化极惰性气体保护焊(Gas metal arc welding，GMAW)中直流脉冲模式(Pulsed gas metal arc welding，P-GMAW)和恒流模式(Constant current gas metal arc welding，CC-GMAW)对5083-H111铝合金薄板焊接接头的成形、微观组织和力学性能等的影响。结果表明：5083铝合金P-GMAW焊接接头成型平整美观，脉冲在一定程度上抑制了焊缝气孔的生成。热输入相同时P-GMAW焊缝内生成的柱状晶面积占比更大，表明P-GMAW热源焊接的熔池温度梯度更大。两种模式焊缝的力学性能相近，接头强度约为288~303 MPa，达到了母材抗拉强度的90%。接头的断裂位置均在焊缝区，断口呈韧性断裂的韧窝形貌，焊缝强度的降低与其粗大的晶粒和气孔缺陷有关。

关键词： 金属材料; P-GMAW; CC-GMAW; 宏观成形; 力学性能; 微观组织

Abstract

5083 Al-alloy with high strength, good corrosion resistance and thermal stability, is widely used in welding manufacturing. In this paper, by setting the same welding heat input, the welded joints of 5083-H111 Al-alloy sheets were prepared by gas metal arc welding techniques with the applying either pulsed direct current or constant direct current, respectively. Then the effect of welding techniques on the formation, microstructure and mechanical properties of welded joints were studied via metalloscopy, material mechanics testing machine, microhardness tester, and scanning electron microscope with EDS. The results indicate that the pulsed GMAW welds are smoother with better appearance, indicating that the arc pulses can partially inhibit the porosity formation of the weld joints. The area of columnar crystals formed in the Pulsed GMAW welds is larger, indicating that the temperature gradient of the molten pool is larger during pulsed arc welding. The mechanical properties of the weld joints were similar for the two current modes, which presented the joint strengths about 288~303 MPa corresponding to 90% that of the base metal. Fractures of the tensile samples occur in the weld metal, and the fracture surfaces reveal dimples. The decrease of weld strength is attributed to the presence of coarse grains and porosity.

Keywords： metallic materials; P-GMAW; CC-GMAW; macro forming; mechanical properties; microstructure

PDF (18019KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

符纯国, 徐世伟, 杨晓益, 李萌蘖. 焊接热源模式对5083-H111铝合金接头性能的影响[J]. 材料研究学报, 2025, 39(4): 305-313 DOI:10.11901/1005.3093.2024.140

FU Chunguo, XU Shiwei, YANG Xiaoyi, LI Mengnie. Effect of Welding Heat Source Mode on Microstructure and Properties of Weld Joints for 5083-H111 Al-alloy[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2025, 39(4): 305-313 DOI:10.11901/1005.3093.2024.140

5083 Al-Mg合金具有高强度、低密度、优异的耐腐蚀性和良好的焊接性，可用于制造海洋船舶、航天器和轨道交通与新能源汽车等的结构件^[1,2]。为了实现结构轻量化，焊接是常用的连接方式。生产效率、成本和设备等因素，使熔化极惰性气体保护焊(Gas metal arc welding，GMAW)仍然是Al-Mg铝合金最主要的焊接方式^[3]。脉冲GMAW焊接(Pulsed gas metal arc welding，P-GMAW)利用脉冲电流产生的电弧吹力促进金属熔滴克服表面张力向熔池中过渡，形成一脉一滴的熔滴快速过渡，其冲击作用能促进焊缝良好成型并减少焊缝缺陷^[4]。

近年来，许多研究者研究了P-GMAW脉冲焊接。Reddy等^[5]和Kumar等^[6]研究了脉冲参数对5083铝合金接头力学性能的影响。结果表明，脉冲频率和脉冲持续时间的优化能提高材料的抗拉强度。Kuang等^[7]研究了超高频脉冲对铝合金焊接的影响，发现不同模式和频率的超高频脉冲其焊缝性能较高。随着脉冲频率的提高，焊缝(Welded zone，WZ)和热影响区(Heat affected zone，HAZ)的晶粒尺寸减小，并在一定程度上抑制了WZ中的元素偏析。Wang等^[8]研究了脉冲频率和脉冲时间对铝合金WZ组织的影响，发现脉冲能促进WZ中生成更细晶体组织，脉冲频率的提高可改善接头的力学性能。但是，朱轩等^[9]研究发现，在相同的实验条件下随着脉冲个数的增加焊接热输入增大，使WZ晶粒的尺寸增大。

上述研究结果表明，电弧脉冲在一定程度上影响WZ的组织和力学性能。焊接时引入脉冲，一方面使熔池产生震荡从而促进WZ组织均匀并细化晶粒，另一方面增大了焊接热输入使焊缝形成粗大的组织。但是，多数脉冲研究很少考虑到焊接热输入的影响。相同热输入条件下P-GMAW和恒流模式(Constant current gas metal arc welding，CC-GMAW)对焊缝成形、气孔缺陷和组织性能的影响机理尚不明确。鉴于此，本文在焊接热输入相同的条件下对比研究P-GMAW和CC-GMAW两种焊接模式对5083-H111铝合金焊接接头宏观成型、微观组织以及力学性能的影响。

1 实验方法

实验用5083-H111(轧制硬化态)板材的尺寸为300 mm × 150 mm × 4 mm，开45°单边V形坡口并留1 mm钝边，坡口间隙为1.2 mm。焊接方向平行于轧制方向。ER5087焊丝的直径为1.2 mm，用Optima 7300DV电感耦合等离子体发射光谱仪测量(ICP-OES)板材和焊丝取样的成分，结果列于表1。

表1 5083-H111铝合金和ER5087焊丝的主要化学成分

Table 1 Main chemical compositions of 5083-H111 aluminum alloy and ER5087 welding wire (mass fraction, %)

Name	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr	Al
5083-H111	0.07	0.25	0.04	0.66	4.13	0.08	0.02	0.03	0.20	Bal.
ER5087	0.09	0.18	0.03	0.71	4.71	0.08	0.01	0.08	0.12	Bal.

新窗口打开| 下载CSV

两种焊接模式的热输入相同，焊接电压、送丝速度都采用Fronius-TPS 400i焊接电源一元化自匹配参数，焊接工艺参数列于表2，焊接过程采用直流反接。

表2 焊接工艺参数

Table 2 Welding process parameters

Group	Name	Heat input / J·mm^-1	Current / A	Voltage / V	Gas flow / L·min^-1	Wire feed rate / m·min^-1	Welding speed / mm·s^-1
1#	P-GMAW Ⅰ	276	130	19.0	20-25	7.5	7.5
1#	CC-GMAW Ⅰ	265	140	15.7	20-25	9.7	7.5
2#	P-GMAW Ⅱ	307	140	19.5	20-25	8.0	7.5
2#	CC-GMAW Ⅱ	318	150	16.9	20-25	9.9	7.5

新窗口打开| 下载CSV

焊接前用钢丝刷将5083-H111铝合金板焊接区域周围30 mm的表面氧化膜去除，然后用丙酮清洗以去除油脂和油污。在焊接过程中用DH5908N型采集器采集焊接过程中的焊接电流、焊接电压，并计算焊接的实际热输入。采集频率为10 kHz。选取0.3 s时间范围的焊接电流电压数据，两种焊接方法四组焊接参数(表2)的焊接热输入为

H I = η \frac{\int_{t_{1}}^{t_{2}} U_{i} I_{i} d t}{t_{2} - t_{1}} / v

(1)

式中 $H I$ 为焊接热输入， $η$ 为焊接热源的热效率(η = 0.8)， $t_{2} - t_{1}$ 为积分区间(0.3 s)， $U_{i}$ 和 $I_{i}$ 为焊接瞬时电压与瞬时电流。根据热输入的计算结果，将热输入与276 J/mm和265 J/mm相近的两组确定为较小热输入的1#，将热输入为307 J/mm与318 J/mm定为2#。

焊接后对WZ进行整体X射线探伤，然后按照图1取样。在电压30 V、电流0.25 A条件下用16.8 g/L的氟硼酸溶液进行电解抛光腐蚀30 s，得到的WZ、HAZ以及母材的金相组织，用ZETSS Axio ObserverA1倒置金相显微镜观察。在SHIMADZU AGX-100kN型材料力学试验机上进行拉伸实验，拉伸速率为1 mm/min。沿焊缝截面的直线打点方式测量硬度，从左至右间距为0.5 mm加载1 kg (保持10 s)，在每组试样中打70个点。用配有能谱仪(EDS)的Sigma 300扫描电子显微镜(SEM)观察焊接接头的组织和断口形貌。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 取样示意图

Fig.1 Sampling diagram (unit: mm)

2 实验结果和分析

2.1 焊接电流和电压的波形

图2分别给出了P-GMAW和CC-GMAW两种模式焊接的焊接电流和焊接电压的变化。图2表明：在P-GMAW模式下焊接电流和电压都呈周期性变化，焊接电流处于峰值I_p时焊接电压同步处于峰值，电流与电压的波形略有不同，焊接电压为矩形波，焊接电流为尖波。随着设定电流参数由130 A增加至140 A，焊接电流基值由59 A增加至63 A，脉冲周期由6.3 ms减小至5.6 ms，峰值电流没有明显的变化。在CC-GMAW模式下焊接电流增大时焊接电压减小，表明熔滴是以短路过渡的方式向熔池过渡。熔滴长大后下坠并与熔池接触，使电流和电压瞬间增大和降低。随着设定电流参数由140 A增加至150 A基值电流由89 A增加至127 A，峰值电流由189 A增加至197 A，电流周期变化不明显，但是电流的峰宽明显减小。这表明，随着CC-GMAW焊接过程中电流的增大熔滴过渡时间缩短。由此推断，更大的焊接电流和更高的送丝速度条件下，在P-GMAW模式下提高脉冲的频率可提高填充金属向熔池的过渡效率，而在CC-GMAW模式下在相同频率下形成更大体积的熔滴可提高过渡效率^[10]。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 焊接电流电压的波形

Fig.2 Welding current and voltage waveforms (a) P-GMAW I, (b) P-GMAW II, (c) CC-GMAW I, (d) CC-GMAW II

2.2 焊缝的质量

图3给出了两种焊接模式的WZ表面成型和探伤结果。从图3a、c可见，P-GMAW焊接模式的WZ成型较好，WZ表面平整只有较浅的鱼鳞纹，随着热输入的增加WZ表面特征没有明显的变化。CC-GMAW模式的焊缝表面鱼鳞纹比P-GMAW模式的鱼鳞纹更深，热输入增加时WZ宽度和鱼鳞纹的长度随之增加，但是焊缝余高的均匀一致性变差，其原因可能是热输入的增加和前文分析的熔滴体积的增大。两种接头的X射线探伤结果如图3b、d所示，可见P-GMAW WZ中基本上没有焊接气孔，而CC-GMAW焊接模式的两组WZ中都有少许气孔(图3中的白色标记)。气孔的形成，与焊接时的气体保护和电弧脉冲有关。为了分析焊接模式和热输入对WZ中气孔率的影响，针对探伤结果根据公式

ϕ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} S_{1}}{S_{w}}

(2)

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 宏观成型图

Fig.3 Macro forming diagram (a, b) P-GMAW, (c, d) CC-GMAW

统计WZ中的气孔，结果列于表3。

表3 不同焊接模式WZ内的气孔率

Table 3 Weld porosity for different welding modes

Group	Name	Weld porosity / %	Maximum pore diameter / mm
1#	P-GMAW Ⅰ	0	-
1#	CC-GMAW Ⅰ	0.1	1.2
2#	P-GMAW Ⅱ	0.1	1.6
2#	CC-GMAW Ⅱ	0.2	0.9

新窗口打开| 下载CSV

式(2)中 $S_{1}$ 为单个气孔的面积， $S_{w}$ 为整个WZ的面积。由表3可见，两种焊接模式焊缝中心的气孔率在0%~0.2%范围内，都达到GB/T 37910.2-2019一级焊缝的评定标准。这表明，P-GMAW模式焊接能有效改善焊缝成型，且脉冲抑制了焊缝中气孔的生成^[11]。CC-GMAW模式的熔滴体积与热输入同步增加，焊缝成型更差且更容易生成气孔。

2.3 接头的微观组织

图4给出了焊接接头的金相显微组织。由图4可见，WZ金属重新凝固后生成了比母材更粗大的组织。两种焊接模式的WZ都由等轴晶和柱状晶组成，因为高温液态金属不断向母材传热，晶体在母材上异质形核并逆着热流的方向生长成柱状晶。WZ中心则失去了传热方向性，中部的液态金属在一定的过冷度下异质形核后自由生长成等轴晶。P-GMAW焊接模式的1#和2# WZ中柱状晶区占WZ面积的比值分别为43.8%与56.1%，远大于CC-GMAW模式时的17.8%与37.1%。根据晶体形貌与温度梯度G与凝固速率R的关系，相同成分的WZ内的凝固组织与G/R的值相关。G/R值越小越倾向于形成等轴晶组织，如图5所示。其中

R = v c o s θ

(3)

式中 $v$ 为焊接速度， $θ$ 为凝固界面法线与焊接方向的夹角。这表明，在焊接速度相同条件下焊缝截面内生成柱状晶比生成等轴晶需要更大的温度梯度。即在焊接热输入相同的条件下，P-GMAW热源在焊接过程中形成的熔池温度梯度更大，从而在凝固过程中等轴晶的生长受到抑制，并促进了异质形核柱状晶组织的形成。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 WZ截面的偏光组织

Fig.4 Microstructure of weld section (a) P-GMAW I, (b) P-GMAW II, (c) CC-GMAW I, (d) CC-GMAW II

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 组织形貌与G和R的关系

Fig.5 Relationship between microstructure and G and R

利用偏光的金相照片统计的WZ平均晶粒尺寸，列于表4。1#中P-GMAW和CC-GMAW WZ的平均晶粒尺寸分别为276和170 μm，2#为328和246 μm。母材的平均晶粒尺寸为20.5 μm。两组热输入相同的条件下P-GMAW焊接模式生成的WZ平均晶粒尺寸更大。同时，P-GMAW模式中较低热输入的P-GMAW Ⅰ WZ晶粒尺寸比CC-GMAW模式中较高热输入的CC-GMAW Ⅱ WZ晶粒尺寸更大。

表4 WZ组织的统计

Table 4 Welded microstructure statistics

Group	Name	Average grain size / μm	Proportion of columnar area / %	Proportion of equiaxed area / %
1#	P-GMAW Ⅰ	276	43.8	56.2
1#	CC-GMAW Ⅰ	170	17.8	82.2
2#	P-GMAW Ⅱ	328	56.5	43.5
2#	CC-GMAW Ⅱ	246	31.7	68.3

新窗口打开| 下载CSV

从焊接接头的SEM组织和EDS谱可见，两种焊接模式形成的WZ内组织相似，都是由铝基体中不同尺寸的白色(FeMn)Al₆相和Mg₂Si相组成(图6c、e)。对比图6b与图6c、d可见，与母材相比WZ中的(FeMn)Al₆相更加细小和分布均匀^[12]。两种焊接热源生成的WZ内的(FeMn)Al₆相大小和分布相同，只是形态略有差异。对比点2、3、4的EDS结果(图7)可见，铝基体中Mg的含量均比WZ中的少。其原因是填充金属中Mg的含量更高，即使在焊接过程中稍有损失其固溶水平仍比母材的高。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 WZ和母材组织

Fig.6 Welded and base metal microstructure (a) P-GMAW I microstructure, (b) Base metal, (c, d) P-GMAW I welded, (e, f) CC-GMAW I welded

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 P-GMAW Ⅰ 组织的EDS图

Fig.7 EDS diagram of P-GMAW I welded microstructure

2.4 接头的力学性能

2.4.1 接头的硬度

图8给出了两种焊接模式不同热输入的接头截面的硬度，可见HAZ-WZ的硬度变化不显著。统计结果表明，四组接头中WZ和HAZ的平均硬度分别为78.9~82.3HV₁和78.9~82.1HV₁。其原因，一方面是5083铝合金是热不敏感的，主要强化方式是加工硬化和晶界强化，辅以固溶强化和第二相强化，因此焊接热过程对HAZ性能的影响不显著；另一方面，WZ中Mg的固溶度比母材的高，固溶强化使WZ与母材的硬度相近(图6b、d、f)。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 接头截面硬度的分布

Fig.8 Hardness distribution of the joint section (a) P-GMAW I, (b) P-GMAW II, (c) CC-GMAW I, (d) CC-GMAW II

2.4.2 拉伸断口

图9给出了焊接接头和母材的应力-应变曲线。可以看出，焊接接头的屈服强度、抗拉强度和延伸率比母材的低。同时，两种焊接模式不同热输入的接头其强度相当，四组焊接接头的抗拉强度和屈服强度都相近，屈服强度和抗拉强度分别为106~107 MPa和288~303 MPa，分别达到了母材强度的75%和90%。四组接头之间的延伸率也相近，分布为14.3%~16.6%，而母材的延伸率为24.7%。这表明，焊接模式和焊接热输入对5083-H111焊接接头的强度没有显著的影响。

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9 焊接接头和母材的应力-应变曲线

Fig.9 Stress-strain curves of welded joint and base metal

图10给出了拉伸断口的SEM照片。由图10中的小图可见，焊接接头都在WZ内断裂(图10中橙色方框内)。其原因是，在拉伸过程中WZ先屈服，母材的强度高于WZ使WZ发生了更大的塑性变形。同时，WZ中的气孔减小了承载面积并容易产生裂纹^[13,14]。从图10给出的断口SEM形貌可见，接头断口都由均匀且较浅的大韧窝构成，部分韧窝底部有化合物颗粒，母材断口由大小混合且更深的韧窝构成。WZ断口出现大小均匀的韧窝，可能是细小的(FeMn)Al₆相弥散分布在WZ中所致。母材轧制后发生硬化且化合物的分布不均匀，其强度和韧性比WZ的高，且断口韧窝的分布不均匀。

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10 断口的组织

Fig.10 Fracture microstructures (a) P-GMAW I, (b) P-GMAW II, (c) CC-GMAW I, (d) CC-GMAW II, (e) base metal

两种焊接模式形成的WZ组织基本相同，都是(FeMn)Al₆相均匀且细小的分布在WZ晶粒枝晶间(图6a、c)，因此焊接接头的力学性能相同。母材和填充金属都是5000系热不敏感铝合金，其强化方式相同，都以晶界强化和加工硬化为主。其晶界强化效应可用Hall-Petch公式^[15]

δ_{g b} = k_{h p} d^{- 0.5}

(4)

进行量化。式中 $δ_{g b}$ 为晶界强度； $k_{h p} 为$ Hall-Petch常数，其值为0.14 MPa $∙$ m^1/2； $d$ 为平均晶粒尺寸^[16]。根据母材的晶粒尺寸(20.5 μm)和四组WZ的平均晶体尺寸(276，170，328和246 μm)可计算出 $δ_{g b}$ 值分别为31，8.4，10.7，7.7和8.9 MPa (图11)。四组WZ与母材的细晶强化效应差值，近似等于WZ与母材屈服强度之间的差值。这表明，WZ强度的降低主要是焊接生成的粗大组织使合金的晶界强化效应降低所致。

图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11 WZ和母材的细晶强化效应的统计

Fig.11 Statistical figure of fine grain strengthening effect of weld and base metal

3 结论

(1) 脉冲电弧对5083-H111铝合金熔池的震荡使P-GMAW模式比CC-GMAW热源形成的WZ表面更加平整，两种焊接模式的WZ中气孔率均小于0.3%。

(2) 在热输入相同条件下P-GMAW 模式焊接熔池的温度梯度和形成的WZ内柱状晶面积更大，具有更大的WZ组织。两种模式的WZ组织中细小的(FeMn)Al₆相和Mg₂Si相在晶内弥散分布。

(3) 两种模式的接头中WZ和HAZ的硬度与母材的硬度相当。P-GMAW模式高、低热输入的接头断口组织都有大小均匀的韧窝。强度降低的主要原因是WZ的凝固组织粗大且内部有气孔。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Wang

H L

, Zeng

X H

, Zhang

X M

, et al.

Microstructure and properties of 5083 and 6061 aluminum alloy dissimilar stir friction welded joints

[J]. Chin. J. Mater. Res., 2018, 32(6): 473