不同焊接区特性对5754、5083和6082铝合金MIG焊接头力学性能及断裂行为的影响研究

《Welding in the World》：The effects of different weld zone characteristics on mechanical properties and fracture behavior of MIG welded 5754, 5083, and 6082 aluminum alloys

本研究针对5xxx和6xxx系列铝合金在熔化焊接过程中出现的力学性能退化问题，系统开展了MIG焊接头微观组织与性能的对比研究。通过采用ER5356和ER4043两种焊丝对5754、5083和6082铝合金进行焊接，结合微观结构表征和力学性能测试，揭示了焊接区特性对接头性能的影响机制。研究发现6082合金使用ER4043焊丝时因Si偏析导致凝固裂纹和缩松，而ER5356焊丝能有效改善焊接性能，为铝合金焊接材料选择提供了重要理论依据。

　　

铝合金以其高比强度、耐腐蚀性和成形性等优异性能，在航空航天、汽车制造和建筑工程等领域获得广泛应用。其中5xxx系列（铝-镁系）和6xxx系列（铝-镁-硅系）合金因其各自的特性备受青睐。然而，铝合金的熔焊过程一直面临诸多挑战：高温焊接会破坏材料的结构完整性，表面氧化膜和氢的高溶解度易导致气孔缺陷，较宽的凝固温度区间增加了热裂纹敏感性，热影响区（HAZ）软化现象更是严重影响焊接接头的力学性能。特别是对于可热处理强化的6xxx系列合金，焊接热循环会溶解强化相Mg₂Si，导致明显的软化效应。

以往研究多集中于单独研究5xxx或6xxx系列铝合金的焊接行为，缺乏对两类合金焊接性能的系统对比分析。这种研究空白限制了对铝合金焊接失效机制的全面理解。为此，来自芬兰拉彭兰塔理工大学焊接技术实验室和钢结构实验室的研究团队在《Welding in the World》上发表了创新性研究成果，通过对比5754、5083（代表5xxx系列）和6082（代表6xxx系列）铝合金的MIG焊接接头，深入揭示了微观组织变化与接头力学性能退化之间的内在联系。

研究人员主要采用金属惰性气体保护焊（MIG）技术，结合光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）进行微观组织表征，运用能谱分析（EDS）进行化学成分测定，并通过拉伸试验、显微硬度测试和弯曲试验等力学性能评估方法，系统研究了焊接接头各区域的特性。

3.1 微观结构

焊接接头横截面分析揭示了明显的区域划分：焊缝区（WZ）、熔合线（FL）、部分熔化区（PMZ）和热影响区（HAZ）。所有样品焊缝区均呈现典型的柱状树枝晶结构，这是由基体金属的散热效应和焊接过程中沿最大温度梯度的外延晶粒生长所致。

SEM观察显示所有样品焊缝区均存在树枝晶结构和枝晶间区域，后者因合金元素偏析而形成富集区。EDS分析表明，使用ER5356焊丝的样品（57E53、50E53、60E53）枝晶间区域主要富集Mg元素，而使用ER4043焊丝的60E40样品则主要富集Si元素。此外，所有样品中均发现富Fe的金属间化合物颗粒存在于枝晶间区域。

对于6082合金样品，部分熔化区表现出晶界液化和元素偏析特征。60E40样品中Si的显著偏析导致枝晶间形成Al-Si共晶相和缩松缺陷，这些微观结构特征直接影响接头的力学性能。

3.2 力学性能

硬度分布图清晰显示了接头各区域的硬度变化规律。非热处理强化合金（5754、5083）的焊缝区硬度与基体相近或略低，而热处理强化合金6082的焊缝区硬度明显低于基体，且热影响区存在明显的软化现象。

拉伸试验结果表明，焊接导致所有样品的强度和延伸率均有不同程度下降。5754合金焊接接头（57E53）性能保持最佳，断裂发生在热影响区；5083合金接头（50E53）强度略有下降但延伸率显著降低；6082合金接头（60E40和60E53）强度下降最为明显，断裂均发生在焊缝区。

弯曲试验进一步验证了接头性能差异：57E53样品表现最佳，60E40样品完全失效，60E53样品仅通过正面弯曲试验。断口分析显示，50E53样品断口呈现韧性断裂特征，而60E40样品断口存在大量气孔和微裂纹，表现为脆性-韧性混合断裂模式。

4 讨论与结论

本研究通过系统分析不同铝合金MIG焊接头的微观结构与性能关系，得出以下重要结论：

对于5754合金，ER5356焊丝是最佳选择，因其较高的Mg含量补偿了焊接过程中的稀释效应，使接头具有良好力学性能。对于5083合金，虽然强度下降不明显，但塑性显著降低，这与焊缝区Mg含量减少和粗大树枝晶结构有关。

6082合金的焊接性能问题最为突出。使用ER4043焊丝时，Si偏析导致枝晶间形成连续网状脆性相和缩松缺陷，严重恶化力学性能。相比之下，ER5356焊丝能有效减少这些缺陷，但接头强度仍因焊缝区缺乏纳米级Mg₂Si强化相而明显下降。

热影响区软化是可热处理铝合金焊接的固有难题。6082合金热影响区中Mg₂Si强化相的过时效转变是导致硬度下降的主要原因。焊接几何不对称性引起的应力集中进一步加剧了接头性能的退化。

这项研究的重要意义在于首次系统比较了5xxx和6xxx系列铝合金的焊接行为，揭示了不同合金系焊接性能差异的微观机制，为铝合金焊接材料选择和工艺优化提供了科学依据。研究结果对提高铝合金焊接结构在工业应用中的可靠性和安全性具有重要指导价值。

Amir Khodabakhshi等研究人员的工作填补了铝合金焊接研究领域的空白，为解决工程实践中的焊接难题提供了深入的理论见解和实践指导。该研究不仅增进了对铝合金焊接失效机制的理解，也为开发更高效的铝合金焊接技术指明了方向。