焊道设计对铝合金焊接接头组织及力学性能影响

焊道设计对铝合金焊接接头组织及力学性能影响中车青岛四方机车车辆股份有限公司 (青岛 266111) 路浩 邢立伟

【摘要】针对铝合金熔化极气体保护焊接头力学性能提升和焊接工艺优化的需求，设计3层3道、3层4道、4层4道、4层6道等四种铝合金厚板焊道分布形式，分别进行标准试件焊接试验。测试对比焊接接头抗拉、疲劳性能，分析性能差异原因，对不同焊道的典型微观组织进行观察分析。试验结果表明，不同焊道分布形式下焊后力学性能及微观组织差异显著，4层4道拉伸性能最优，3层4道疲劳性能最优，综合力学性能最好，3层3道疲劳、抗拉性能最低。对于厚板铝合金焊接，减少高温停留时间，控制焊缝稀释率，在降低热输入的前提下减少焊道交界面积，可明显提高焊接接头综合性能。关键词：熔化极气体保护焊；焊道分布；接头性能；未混合区

1. 概述

铝合金作为一种重要的高强铝合金，广泛用于航空航天等焊接结构的关键承载部件制造，但厚板铝合金焊接对温度变化极为敏感。为此采用了固相温度线相对7系列铝合金较低的焊丝进行焊接，以保证焊缝金属最后凝固，具有一定的流动性，填充热影响区晶界薄弱地带，避免焊接热裂纹产生。但是这种组合带来低匹配焊接接头形式，厚板铝合金焊后力学性能下降严重。

目前国内铝合金焊接工艺研究基础薄弱，焊接接头组织演变规律欠缺状况，制定合理的焊接工艺及焊道布置，对于焊接质量的提升有极为重要的意义。传统常规认为采用多焊道布置，降低每层焊道的焊接热输入，提升焊接接头性能。也有部分观点认为铝合金宜采用大电流快速焊，以降低厚板焊接中的未熔合。

对于铝合金厚板的焊接工艺，不同的焊道设计带来不同的焊接效率、不同的焊接热输入，由此使各焊道焊缝金属及周围区域材料经历不同的焊接热循环，引起材料性能的不同变化，随之引起力学性能的显著变化。虽然国际标准给出了坡口、焊道的布置规范，但是是极为宽泛和不确定。

文中通过对不同焊道布置下的铝合金焊接工艺试验，研究焊道分布对焊接接头力学性能的影响，并结合典型焊道微观组织进行分析。试验表明，设计合理的焊道布置，控制母材稀释率，严格控制层间温度，降低各焊道金属间的互相影响，对于焊接接头力学性能的提升尤为关键。

2. 焊接工艺

对于厚度为12mm的某系铝合金板材，设计4种不同焊道分布的接头形式进行焊接工艺试验，分别为3层3道、3层4道、4层4道、4层6道，焊道布置如图1所示，不留钝边。

（a） 3层3道焊道分布 （b） 3层4道焊道分布

（c） 4层4道焊道分布 （d） 4层6道焊道分布图1 焊接坡口及焊道布置5642016年 增刊1 www.mw1950.com冷加工

使用福尼斯TPS4000焊机，焊丝直径1.2mm。焊枪与工件夹角85°，试板长350mm，宽150mm，高纯氩气体保护，保护气体流量范围25L/min。焊前用不锈钢风动钢丝刷对试件待焊部位进行仔细清理，之后再用丙酮清洗，焊道层间用铣刀、不锈钢风动钢丝刷进行清理。焊接参数如表1所示。

表1 焊接参数

焊道布置焊道焊接电流I / A

焊接速度 /mm.s-1

S120083层3道

S22104S32104S1180103层4道

S22108S32108S42108S1180104层4道

S220010S320010S42006S118010S220084层6道

S320010S420010S52008S6200103. 焊接接头力学性能

（1）拉伸力学性能 试样取样位置参照ISO15614-2:2005《金属材料焊接工艺规程及评定-焊接工艺评定试验-第2部分 铝和铝合金的弧焊》标准执行。焊接接头拉伸试验试样的加工根据ISO4136：2001《金属材料焊接的破坏试验-横向抗拉试验》标准的规定执行。然后用电子式拉力试验机进行拉伸试验，试验中标距设定为60mm，试样分为焊后立即拉伸和焊后时效后拉伸两类，时效时间35天以上。

4种不同焊道设计下的接头拉伸力学性能试验结果如表2所示。可以看到在严格控制层间温度进行焊接的条件下，焊后自然时效对焊接接头强度提升不大，特别是非比例延伸强度RP0.2提升不明显。4种不同焊道的力学性能排序为：4层4道>4层6道>3层4道>3层3道。焊接速度最快，热输入最低

焊接技术

的4层4道接头设计抗拉性能最优。

可以看到采用传统常规认为的多焊道布置，降低每层焊道焊接热输入的4层6道形式并未带来最高的拉伸力学性能。4层6道的拉伸力学性能和3层4道相差不大，仅有微弱提高，增加焊接道数量并没有明显提升焊接接头力学性能。

表2 焊接接头拉伸试验结果

焊道分布平均抗拉强度断后伸长率非比例延伸强度

/MPa(%)/MPa

3层3道（焊后）2717.81583层3道（时效）2776.871603层4道(焊后)2796.971783层4道（时效）2855.31774层4道(焊后)2906.31784层4道（时效）2965.21874层6道（焊后）2807.91804层6道（时效）2856.9180（2）拉伸性能差异分析 不同焊道设计的强度差异原因分析：

第一，无论是哪种焊道布置形式，焊材与先焊焊道均出现了高于共晶温度的区域，这些区域对于提高接头的力学性能是不利的。对于3层3道摆动焊来说，焊接速度慢，焊接热输入大。在母材区域或在先焊焊缝区域，高于低温共晶温度的区域远大于其他几种焊道布置；在后焊焊道的焊接过程中，高温区已经覆盖了先焊焊缝的所有区域。

材料焊接接头微观组织，取决于接头热循环曲线和材料成份，但是焊接过程中加热冷却速率（10~1000℃/s），平衡条件下组织演变规律并不适用。焊接条件下，升温速度很快，即使在远低于该成分的平衡固相线温度时，也可能出现局部的熔化现象。Al-Zn-Mg铝合金Zn和Mg偏析严重，由于焊接时的高温、快速加热，在焊接热影响区或多层焊的前道焊缝近熔合线处高温区内，易在晶界形成网状脆性共晶薄膜，削弱晶界结合力,不能承受较大塑性应变，在熔合区附近容易发生脆性断裂。

与其他几种焊道布置相比，3层3道摆动焊接过程的温度峰值较高，使焊后的晶粒较大；3层3道摆动焊过程热影响区高于低温共晶温度的区域宽，且高温停留时间长，容易出现晶间液化现象。

与4层6道和3层4道布置相比，3层3道摆动焊工艺的焊接接头除有更宽的高温区域之外，热影响区

冷加工

2016年 增刊1www.mw1950.com5652016第二届轨道交通先进金属加工及检测技术交流会

的相应位置经历的高温停留时间也较长。因此更容易形成晶界液化裂纹，在拉伸过程中产生容易应力集中从而导致裂纹萌生和扩展。

图2a给出拉伸断口试样的断裂边界附近具有明显晶界液化特征的微观金相组织，如图中黄色箭头所示。低熔点第二相沿着晶界呈连续网状分布特征明显，一些晶界已经开裂，形成孔洞或裂纹。

同时在3层3道焊接过程中，中间、盖面需要焊枪进行周期圆圈型摆动，以保证熔化金属填充，圆圈形摆动路径使周期性的二次加热区位于焊缝的一侧，从而使焊接过程中的温度场随焊接过程的进行呈现周期性变化，二次加热区出现温度场的峰值。

上述原因导致3层3道摆动焊为力学性能最低的焊道设计形式。

第二，3层4道焊时，盖面层分两道焊接，第3焊道与第4焊道相邻部分受后焊的第四个焊道的作用，其界面附近的晶界会发生重熔，扩展，然后再凝固，此薄弱对焊缝组织形成了割裂效果，造成横向拉伸时性能下降。此外，层道分界处是气孔容易出现的区域，更进一步加剧了这一问题，如图2b所示。同样，4层6道焊道设计，过多的增加了焊道界面数量，增加焊接接头薄弱环节，性能低于4层4道焊道形式。

第三，从宏观成形上看，3层4道和4层6道盖面层宽度要稍大于4层4道盖面层宽度，母材溶入量大，并且焊缝的熔合线轮廓不如4层4道焊平滑。熔合线的不平滑导致熔化的母材在沿着熔合线附近向

（a）拉伸断口试样断裂边界 （b）第二、三、四道交界

（c）母材溶入焊缝 （d）部分熔化区晶界重熔与晶粒长大图2 焊接接头微观组织5662016年 增刊1 www.mw1950.com冷加工

下流动时受阻，如图2c所示，出现了母材溶入焊缝的现象，加剧了近熔合线非树枝状等轴晶区的形成倾向，而这个等轴晶区对性能有害。

第四，3层4道和4层6道过宽的表层焊道，导致其对相邻下侧轧制母材晶界的加热作用明显，更加长的晶界长度被加热重熔，母材晶粒长大现象也更加严重，如图2d所示。这导致了在部分熔化区（PMZ）性能的下降，甚至出现液化裂纹，造成拉伸性能下降。

4. 疲劳性能

（1）疲劳试验 疲劳试验机美国MTS公司250kN电液伺服疲劳试验机，试样加载频率20Hz。疲劳试验依据GB/T 3075—2008《金属材料疲劳试验-轴向力控制方法》标准的要求进行。疲劳试验结果如图3所示。

从试验结果拟合后的SN曲线看到，3层4道的疲劳性能最好，4层4道和4层6道相差不大，3层3道的疲劳性能最差。拉伸力学性能最好的4层4道焊道设计并未表现出最高的疲劳性能。

（2）疲劳性能差异分析 3层3道摆动焊焊接速度慢，焊接热输入大，造成其疲劳性能最低。

4层4道焊盖面层宽度较大，由于电弧的能量有限，其阴极雾化所能清理的区域有限，焊丝没有横向摆动，电弧一直在焊道中心处，其阴极雾化所能覆盖的区域小于焊缝宽度。焊丝熔化形成熔滴，熔滴表面被电弧加热到很高的温度，焊丝中易挥发金属，尤其是Mg，蒸发严重，散步到电弧气氛，并被保护气体向外吹离。蒸发的Mg与空气中氧结合后，就变成MgO黑灰，这些黑灰在工件表面聚

图3 焊接接头疲劳性能对比集，也会在电弧保护不到的熔池外侧聚集，部分黑灰落到坡口内，被向外流动着的液态金属裹挟进熔池内部，焊缝金属中的这些黑灰在疲劳试验中直接作为裂纹源开始扩张，从而大大降低了疲劳寿命，如图4a所示。断口扫描结果发现，疲劳裂纹起源于黑色夹杂物区域，可以看到很多台阶状小断面。在台阶的尽头，裂纹扩展方向改变，扩展速度减低。

3层4道和4层6道盖面层宽度要稍大于4层4道盖面层宽度，母材溶入量大，加剧了近熔合线非树枝状等轴晶区的形成倾向，降低了疲劳性能，即形成了未混合区（UMZ），如图4b所示。差热分析试验表明，焊丝的熔化温度区间为575~667℃，母材熔化温度区间为611~670℃，即在焊接接头凝固过程中，焊丝与母材几乎同时开始凝固，但焊丝成分凝固终了温度更低，如图4c所示。母材熔化温度高于焊缝金属，导致冷却时母材、焊缝金属的粘性不

（a）疲劳裂纹源区（b）未混合UMZ区c) 差热分析曲线图4 焊接接头疲劳断口及组织焊接技术

同，形成了未混合区，成为疲劳性能的薄弱地带。4层6道焊道设计，过多的增加了焊道界面数量，增加焊接接头薄弱环节数量，疲劳性能较差。相对4层4道、4层6道，3层4道接头设计焊道间的连接面积最小（3层3道热输入过大），薄弱面的面积最小，因此3层4道的疲劳性能最好。

5. 结语

(1) 铝合金焊接接头抗拉性能对热输入最为敏感，因此热输入最低的4层4道拉伸力学性能最优。铝合金焊接接头疲劳性能对焊道间的交界面积最为敏感，因此3层4道接头疲劳性能最优。

(2) 对于厚板多层多道焊接头，部分熔化区和热影响区边界的交叉位置是组织和性能急剧变化的区域，易形成晶界液化裂纹，在拉伸过程中产生容易应力集中从而导致裂纹萌生和扩展。对于厚板多层多道焊接接头，焊道交界处、焊缝区的焊接缺陷也是薄弱地带。

(3) 对于厚板铝合金焊接接头设计，在尽量降低热输入的前提下减少焊道交界界面，可明显提高厚板铝合金焊接接头综合性能。

(4) 针对12mm铝合金厚板焊道设计，4层4道拉伸力学性能最优，3层4道接头疲劳性能最优，综合力学性能最好，3层3道疲劳性能、抗拉性能最低。

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作者简介：路浩，高级工程师，主要从事铝合金焊接工艺、焊接缺陷检测技术研发工作，发表论文40余篇，获得和申报国家发明专利15项. 中国焊接协会理事，国防科技鉴定成果1项，中车科技鉴定成果1项，南车杰出青年岗位能手获得者. Email: lhhit9@163. com。

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