TiB2改性焊丝GMAW焊接AW6082铝合金的接头组织与性能研究

《Welding in the World》：Process and joint properties of GMA welded alloy AW6082 with TiB2-modified filler material

本文针对可时效硬化铝合金AW6082焊接过程中存在的析出相溶解、软化及高热裂纹敏感性等难题，研究团队采用新型AlMg0.7SiTiB焊丝开展了GMAW工艺研究。通过微观组织分析和力学性能测试，发现TiB2纳米颗粒使焊缝晶粒细化约65%，显著提升抗热裂性能，同时保持与标准AlSi5焊丝相当的力学性能，为高强铝合金焊接提供了新解决方案。

　　

在轻量化制造浪潮中，铝合金凭借其低密度和高耐腐蚀性成为不可或缺的结构材料。特别是可时效硬化的6000系列铝合金AW6082，通过镁硅元素的添加和热处理工艺，实现了高强度与良好成形性的完美结合。然而正是这些赋予其优异性能的合金元素，也为焊接工艺带来了严峻挑战——焊接热循环会导致析出相溶解、热影响区软化，更棘手的是该系列合金具有显著的热裂纹敏感性，这成为制约其工程应用的瓶颈问题。

传统解决方案通常采用4000系（高硅）或5000系（高镁）异种焊丝进行焊接，但这种方法往往以牺牲接头强度为代价，且对热裂纹的抑制效果有限。正是在此背景下，德国开姆尼茨工业大学焊接工程研究所的研究团队在《Welding in the World》上发表了创新性研究成果，他们首次系统评估了新型AlMg0.7SiTiB焊丝在AW6082合金GMAW（气体保护金属极电弧焊）焊接中的应用潜力。

为全面评估这种TiB₂改性焊丝的性能，研究团队设计了一套完整的实验方案。他们采用脉冲MIG焊接工艺，在严格控制参数的条件下制备了符合DIN EN ISO 15614-2:2005标准的试件。研究特别设置了焊态和焊后T6热处理（525°C固溶处理20分钟+水淬+175°C人工时效4小时）两种状态进行对比分析。通过光学显微镜、扫描电镜能谱分析、显微硬度测试、拉伸与三点弯曲实验等多维度表征手段，系统评估了接头的微观组织和力学性能。尤为重要的是，团队采用自约束Houldcroft试验对抗热裂性能进行了量化分析。

关键实验技术方法

研究采用GMAW脉冲焊接系统，基材为5mm厚AW6082-T6轧制板材，对比标准焊丝AlSi5与新型AlMg0.7SiTiB焊丝。通过金相制样与Barker侵蚀显示晶界，依据ISO标准进行硬度测绘（HV0.5/HV1）和力学性能测试。利用μCT扫描进行三维孔隙分析（体素尺寸25μm），SEM-EDS分析元素分布，并通过改进型Houldcroft试件评估热裂纹敏感性。

2.1 焊缝成形与微观组织

焊接参数近乎相同的条件下，标准焊丝焊缝宽度比新型焊丝大14%，但余高仅为后者的1/5。这归因于标准焊丝更高的电弧能量和更低熔点促进了母材熔化。新型焊丝焊缝孔隙率（0.26%）是标准焊丝（0.09%）的2.8倍，孔隙主要集中在热影响区过渡区域和根部区域，但均符合DIN EN ISO 10042:2019的B级验收标准。

微观结构分析揭示了决定性差异：新型焊丝实现了显著的晶粒细化效果，焊态下的平均晶粒面积比标准焊丝小8倍，T6处理后仍保持4倍优势。晶粒尺寸分析显示，新型焊丝焊缝的平均晶粒直径仅为0.0442mm，而标准焊丝焊缝为0.125mm。

2.2 力学性能

拉伸试验表明，两种焊丝在焊态下的强度值无显著差异，但新型焊丝的断后伸长率比标准焊丝低43%。断裂位置分析发现，除标准焊丝焊态试件外，其余断裂均发生在焊缝金属内，这与硬度分布特征相符。

硬度测试揭示了典型的焊接接头软化行为：两种焊丝焊缝区硬度均出现明显下降（新型焊丝72HV0.5，标准焊丝71HV0.5），随后在过渡区出现短暂峰值（新型焊丝99HV0.5，标准焊丝85HV0.5），热影响区又出现二次下降。标准焊丝热影响区的硬度下降更为显著（67HV0.5），且部分熔化区硬度低于焊缝区，这解释了其焊态试件在热影响区断裂的现象。

三点弯曲试验显示，焊后T6处理导致弯曲角显著减小，这是时效硬化导致脆化的直接结果。新型焊丝在焊态下表面加载的弯曲角比标准焊丝高40%，T6状态下甚至高出93%，表明其具有更好的变形能力。

2.3 微观组织演变

SEM-EDS分析揭示了元素分布的关键差异。新型焊丝焊缝在焊态下即显示出均匀的镁元素分布和硅化物析出，而标准焊丝焊缝则呈现明显的贫铝边界和硅偏聚。经过T6处理后，新型焊丝焊缝中的硅析出相更加细小均匀，表明其具有更优的时效强化潜力。这种微观结构的优化与硬度测试结果相互印证，新型焊丝T6态焊缝平均硬度（100HV1）比标准焊丝（93HV1）高出7%。

2.4 抗热裂性能

Houldcroft试验结果最具说服力：标准焊丝焊缝出现了长度49.25mm、深度4.075mm的凝固裂纹，而新型焊丝焊缝完全无热裂纹迹象。这证实了TiB₂颗粒通过促进细等轴晶形成，有效打断了裂纹扩展路径，显著提升了抗热裂能力。

这项系统研究证实，虽然新型AlMg0.7SiTiB焊丝会带来孔隙率小幅增加，且在拉伸强度方面与传统AlSi5焊丝相当，但其在晶粒细化、抗热裂性能和时效响应方面展现出了显著优势。特别是65%的晶粒细化率和完全消除热裂纹的效果，为解决高强铝合金焊接的固有难题提供了创新解决方案。研究结果对交通运输、航空航天等领域的轻量化制造具有重要工程价值，为高强铝合金焊接结构的安全性和可靠性提供了新的技术支撑。这种基于微观组织调控的焊接材料设计思路，也为其他难焊合金的焊接工艺开发提供了有益借鉴。