作者简介：王海彬（1981-），男，内蒙古人，高级工程师，主要从事变形铝及铝合金加工研究。收稿日期：2021-12-20
Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr 合金板材MIG 焊接 王海彬
（东北轻合金有限责任公司，哈尔滨150060）
摘要：对一种4mm 厚Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr 合金退火态板材进行MIG 焊接，并研究焊接接头的显微组织、力学性能和耐腐蚀性能。结果表明，焊缝中心为枝晶组织，熔合线附近为柱状晶而且存在一层细晶组织，焊缝中的主要析出相为Al 6Mn。焊缝区和焊接热影响区的硬度均低于母材，焊缝中心硬度值最低为70.8~72.5HV。焊接接头的抗拉强度为322MPa，焊接强度系数为0.9，焊接性能良好。焊接接头的剥落腐蚀等级为PB 级，晶间腐蚀值为4.6~4.7mg/cm 2，与母材耐蚀性能相当，具有良好的耐腐蚀性能。 关键词：Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr 合金；MIG 焊接；显微组织；力学性能；腐蚀性能中图分类号：TG146.21，TG339文献标识码：A
文章编号：1005-4898（2022）03-0069-05
doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2022.03.16
0前言
Al-Mg-Mn 合金因具有质轻、比强度高、成形
性好、中强可焊、耐腐蚀性能好等优点而被广泛应用于大型舰船的上层结构和舾装件中[1-2]
。考虑到船
体结构承载及腐蚀环境这两个主要因素，铝镁锰合
金是最基本的船用焊接结构材料
[3-4]
。而船舶用材料
的焊接在提高船舶性能、减重等方面起着决定性的作用。船舶用铝合金的焊接方法较多，如MIG、TIG、FSW 焊接等。经过几十年的发展，MIG 焊在焊接设备、焊接工艺等各方面都日趋成熟，是目前船舶焊接铝合金中用得最多的一种焊接方法，国内外90%以上的铝合金焊接采用MIG 焊[5]。
为进一步提高船用铝镁锰系合金的强度，本文针对一种Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr 合金退火态板材开展MIG 焊接实验，并对焊后板材的接头组织、力学性能及耐腐蚀性能开展研究工作，旨在开发出能够兼顾耐蚀性能和强度性能的焊接用铝合金材料。
1实验方法
焊接实验用板材为经过320℃/2h 退火处理后
的退火态板材，其规格为4mm×150mm×300mm，化学成分如表1所示。采用与母材成分相同的合金焊丝进行焊接，焊丝直径为1.6mm。MIG 焊接主要焊接参数为：保护气体99.999%Ar，流量20L/min，单脉冲90A，0.75m/min。焊接时试板不开坡口、对接间隙1~2mm，采用单道次焊接，单面焊接双面成形，焊接前用钢丝刷去除待焊接区域的氧化膜。MIG 焊接设备为Fornius TPS 5000型焊机。
表1
实验合金板材化学成分（质量分数/%）
Si 0.06
Fe 0.16
Mg 6.01
Mn 0.90
Zr 0.12
Al 余量
焊接后以焊缝为中心垂直于焊缝对称截取组织观察试样、拉伸性能检测试样、硬度测试试样以及剥落腐蚀和晶间腐蚀试样。采用HW187.5型维氏显微硬度计进行焊接接头不同区域的硬度测试，硬度载荷为100kg，每隔1mm 测一个硬度值，从一侧的基材区一直测到另一侧的基材区域。在WDW-100A 型电子拉伸试样机上进行拉伸试验，测试焊接接头的拉伸力学性能。采用型号为Sirion200的扫描电子显微镜（带能谱仪）进行第二
相粒子形貌及分布等分析。按照ASTM G66标准对焊后板材进行剥落腐蚀性能检测，按照ASTM G67标准对焊后板材进行晶间腐蚀性能检测。
2试验结果与讨论
2.1拉伸性能
Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr 合金板材及其MIG 焊接
接头的拉伸力学性能如表2所示。
表2
试验板材及其MIG 焊接接头的拉伸力学性能
材料母材MIG 焊接头
抗拉强度/MPa 356322
屈服强度/MPa 161117
延伸率/%24.810.4
焊接强度系数
-0.90
从表2中可以看出，板材经过MIG 焊接后其接头强度和延伸率与基材相比均有所下降。通常用焊接强度系数来评价焊接性能的优劣，由于焊接接头的性能一般低于母材，通常情况下，焊接强度系数的值
介于0和1之间，焊接强度系数值越大，代表该接头的焊接性能越好。本试验采用MIG 焊接的接头强度系数为0.90。2.2显微硬度
图1所示为Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr 合金板材MIG 焊接接头距焊缝中心不同距离处的硬度分布曲线。
图1试验板材MIG 焊接接头硬度分布
从图1可以看到，焊接接头显微硬度以焊缝为中心呈近似对称分布。其中，焊缝中心的硬度最低，为70.8~72.5HV，低于母材硬度，这是由于焊丝中的Mg 元素在焊接过程中发生烧损减弱了Mg 的固溶强化效果所致。距焊缝中心5mm 的热影响区处的硬度低于母材，其原因在于焊接过程中热影响区的组织发生了再结晶粗化，也出现了接头软化现
象。但与可热处理强化铝合金焊接接头相比，其接头软化现象不明显[6-7]。距离焊缝中心越远，硬度值越大，直至到达母材区域，硬度为83-88.8HV。这是因为距离焊缝中心越远，受焊接热影响造成的软化程度也越小。总体说来，焊接接头的硬度值波动较小，硬度在70.8~88.8HV 范围内。2.3耐腐蚀性能
按照ASTM G66标准检测板材焊接接头的剥落腐蚀，剥落腐蚀前后的试样宏观形貌如图2
所示。
（a ）
腐蚀前
（b ）腐蚀后
图2
焊接接头的剥落腐蚀宏观形貌
从图2可以看到，焊接接头经过剥落腐蚀后，其焊接区与母材区均没有出现严重的剥落腐蚀现象，仅出现零散的点蚀坑，腐蚀等级可评为PB 级。
按照ASTM G67要求对焊接接头进行晶间腐蚀试验。对焊接接头试样进行酸、碱处理后在70%~72%的硝酸溶液中放置24h，然后将试样清
洗称重，计算单位面积内的重量损失，测试结果见表3。
表3
焊接接头晶间腐蚀结果
试样号123
表面积/cm 210.3810.3410.31
腐蚀前
重量/g 3.09643.08333.0635
腐蚀后重量/g 3.04883.03623.0149
重量损失/g 0.04760.04710.0486
腐蚀速率/（mg ·cm -2）
4.64.64.7
已有研究表明[8]，Al-Mg 合金的耐蚀性能主要
硬度／H V
距焊缝中心的距离／mm
取决于组织中β（Al2Mg3）相的分布状态和数量，如果析出的β（Al2Mg3）相呈连续分布，会大大降低合金的耐腐蚀性能。因此，在高镁船用Al-Mg合金生产中，保证合金组织中没有连续分布的β（Al2Mg3）相、控制β（Al2Mg3）相均匀分布是关键控制点之一。本试验采用的板材是经过320℃稳定化退火处理后的板材，大部分Mg元素以固溶的形式存在，其焊缝金属在焊接过程中重熔并在急冷条件下形成铸态组织，且组织中均不存在连续分布的β（Al2Mg3）相（见图4和图5）。因此，实验板材焊接接头具有较好的耐剥落腐蚀和耐晶间腐蚀性能。
2.4显微组织
图3为试验合金板材焊缝的金相组织形貌。
由图3可见，焊缝中心区域为晶粒较粗大的枝晶组织（见图3（a））。这是由于焊接过程中熔池内各区域的冷却速度和溶质浓度不同以及温度与成
分的不均匀性导致了焊缝区内形成粗晶组织。在熔
（a）焊缝中心（b）热影响区（c）母材
图3焊接接头金相组织
合线附近靠近焊缝一侧存在大量粗大的柱状晶组
织，在母材一侧靠近柱状晶区有一层较细小的等轴
细晶区（见图3（b））。这是由于焊接时金属液呈
过热状态使附近母材融化，在靠近母材部分，熔体
温度相对较低，母材中Al6Mn、Al6（FeMn）等第二
相粒子成为非均质形核的核心，形成了一层类似激
冷层的细晶层；在远离母材一侧的熔体温度较高，
熔体的大部分热量通过细晶层再经母材向外扩散，
散热的方向性增强。由于垂直母材横截面方向散热
最快，细晶层中主轴与其垂直的枝晶就优先长大，
并且可能超越取向不利的相邻晶粒长大，形成较粗
大的柱状晶组织[9]。图3（c）为焊接用母材的组
织，为扁长形的再结晶组织。图4为焊缝的SEM形
貌观察结果。
图4焊缝区SEM形貌
由图4可以看到，焊缝区的组织中存在大量白
形状不规则的第二相粒子。对组织中的第二相粒
子进行能谱分析，其结果见图
5。
（a）焊缝组织（b）第二相能谱分析
图5焊缝组织中的第二相及能谱分析
图5为焊缝组织中的第二相及第二相的能谱分
析，通过能谱分析可以确定组织中白的第二相粒
子主要是由Al和Mn两种元素组成的Al6Mn相。焊
缝组织中弥散分布的Al6Mn相对焊缝起到第二相强
化的作用（图5（a））。在焊缝的扫描组织中没有
观察到β相（Al2Mg3）。由于焊缝是在焊接热的影响
下形成的铸态重熔组织，在焊接过程中一部分Mg
元素发生烧损，其余的Mg元素主要以固溶的形式
存在于焊缝组织中，焊缝组织中没有形成Al2Mg3相
（见图5（b））。焊缝组织中不存在连续分布的
Al2Mg3相，这也是焊接接头具有较好的耐剥落腐蚀
和耐晶间腐蚀的原因。
元素
AI
Mn
重量百分
比/%
63.41
36.59
原子百分
比/%
77.92
22.08
200μm
3结论
（1）采用MIG焊接的Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr 合金退火态板材具有较好的焊接性能，焊接接头的抗拉强度为322MPa，焊接强度系数达到0.9。
（2）焊接接头具有优异的耐剥落腐蚀和耐晶间腐蚀性能，剥落腐蚀为PB级，晶间腐蚀结果为4.6~4.7mg/cm2。
（3）焊缝中心为枝晶组织，熔合线附近为柱状晶而且存在一层细晶组织，焊缝中的主要析出相为Al6Mn。
参考文献
[1]POLMEAＲI J.Light Alloys[M].Oxford：Butterworth-
Heinemann，2005：97-204．
[2]路丽英.稳定化退火温度对Al-6Mg-0.3Mn-0.13Sc-
0.13Zr合金板材组织和性能的影响[J].轻合金加工技
术，2019，47（8）：61-65.
[3]MILLER W S，ZHUANG L，BOTTEMA J，et al.Recent
Development in Aluminium Alloys forthe Automotive In-dustry[J].Materials Science and Engineering：A，2000，280（1）：37-49.
[4]DURSUN T，SOUTIS C.Recent Developments inAd-
vanced Aircraft AluminiumAlloys[J].Materials&Design，2014，56：862-871.
[5]蹇海根，王业东，杨孝梅，等.铝镁合金焊接接头组织
与力学性能的不均一性研究[J].湖南工业大学学报，2020，34（1）：92-97.
[6]罗传孝，王少刚，翟伟国.轨道交通用6082铝合金焊
接接头组织与性能[J].电焊机，2011，41（11）：68-72.
[7]ShigematsuI，Kwon Y J，SuzukiK，et al.Joining of5083
and6061aluminum alloys by friction stir welding[J].Jour-nal of Materials Science Letters，2003，22（5）：353-356.
[8]李念奎.船用铝合金的耐腐蚀性能（1）[J].轻金属，
1994（10）：41-47.
[9]陈苏里，姜锋，尹志民，等.含钪与不含钪铝镁钪合金
焊接接头的组织与性能[J].中国有金属学报，2006，16（5）：835-840.
Microstructure and properties of MIG welding joint of
Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr alloy sheet
Wang Haibin
（Northeast Light Alloy Co.,Ltd.,Harbin150060,China）
Abstract：The Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr alloy annealed sheet was welded by MIG welding,and the microstructure,mechanical prop⁃erties and corrosion resistance of the welded joint were studied.The
results show that the center of the weld is dendrite structure,co⁃lumnar crystal near the fusion line and there is a layer of fine crystal structure.The main precipitated phase in the weld is Al6Mn.The hardness of the weld zone and heat affected zone is lower than that of the base metal,and the minimum hardness value of the weld cen⁃ter is70.8~72.5HV.The tensile strength of the welded joint is322MPa,and the welding strength coefficient is0.9%,with good welding performance.The exfoliation corrosion grade of the welded joint is PB grade,and the intergranular corrosion value is4.6~4.7 mg/cm2,which is equivalent to the corrosion resistance of the base metal and has good corrosion resistance.
Key words：Al-6Mg-0.9Mn-0.12Zr alloy;MIG welding;microstructure;mechanical properties;corrosion performance
铝合金异质形核机理新认识与晶种新技术获重要突破近日，山东大学刘相法教授团队与南京理工大学等单位开展联合研究，通过十多年的系统研究，终于在TiCx对α-Al形核机理与掺杂型晶种应用研究方面取得了双突破。这一重要突破不仅从根本上破解了Zr致细化“中毒”堵点，而且彻底消除了Si致细化“中毒”难题。为超高强变形铝合金和高端铸造铝合金及其加工技术的发展提供了有效“抓手”。相关技术获授权国家发明专利8项，申请国际发明专利1项，主持制定国家团体标准1项，注册商标权1件；获山东省技术发明一等奖1项。创新产品及应用技术在上市较短时间内，已在国内外60余家先进铝加工
企业推广应用，其中包括多家行业领先的国际公司。
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