利用周期性变化的脉冲电流进行熔化极惰性气体保护焊接(MIG)，能够实现熔滴过渡和焊接热输入的有效控制，扩大铝合金MIG的可焊工艺窗口。在汽车零部件制造中，采用脉冲MIG焊接厚度为2mm的铝镁合金薄板，其焊宽、焊缝表面成形良好，焊缝熔深好、过渡平滑，焊缝表面呈现银白色、无飞溅、无表面缺陷，焊接接头断面无焊接缺陷。

当前，铝镁合金脉冲MIG一般采用100%氩气作为焊接保护气体，然而对于厚板焊接，焊缝熔深有限，需要多层多道焊才能完成焊接作业，效率低下；向氩气中加入氦气会使电弧电压增加2~3V，焊缝熔深和熔宽会变大，提高作业效率。然而，氦气的电离势远大于氩气的电离势，因此在其他焊接工艺参数相同时，使用氦气作为保护气体焊接会提高焊缝热输入，导致焊缝晶粒度变大。文献中指出，铝镁合金非熔化极惰性气体保护电弧焊接(TIG)中，在氩气+0.015%(体积分数，下同)氮气保护气体中增加氦气的量，会导致裂纹扩展能的增加。然而，氦气对铝镁合金脉冲MIG焊缝凝固裂纹影响却并不清楚。同时，MIG中的脉冲模式也应引起注意，在铝合金激光焊中，脉冲形式可以最大限度地减小热裂纹，使凝固结束时的凝固速率适中，并在凝固开始时施加由凝固收缩和热收缩引起的应变，梯形电流波形的脉冲焊接裂纹明显比方形电流波形的少，适当控制脉冲形状可以避免凝固开裂。

鱼骨状裂纹试验是利用试板上不同长度沟槽形成的不同最大拉应力来测试铝合金的凝固裂纹敏感性。当焊接热源在试板移动时，由于熔池凝固产生的热应力会使纵向裂纹沿焊缝中心起裂、扩展，随着焊缝越靠近纵向沟槽，裂纹越易止裂，此时裂纹的总长度便可作为裂纹敏感性的指标进行统计。不同材料的裂纹敏感性测试需要设计出不同合适尺寸(高度和深度)的横向沟槽来控制焊缝的裂纹起裂过程。来自上海工程技术大学材料工程学院的陈毓、张天理等人通过鱼骨状裂纹试验研究焊接保护气体分别为100%氩气、25%氦气+75%氩气混合气和50%氦气+50%氩气混合气时，不同焊接电流下5052铝镁合金的焊缝凝固裂纹敏感性；同时对100%氩气焊接保护气下的脉冲模式影响进行了进一步研究，从焊缝晶界形态和凝固过程讨论镁含量与焊缝凝固裂纹敏感性之间的关系。

1 试验方法与试样制备

1.1 焊接工艺设计

试验材料母材采用尺寸为140mm×300mm×3mm的5052铝镁合金鱼骨状试板，焊丝采用ϕ1.2mm的ER5356铝镁合金实芯焊丝。分别使用100%氩气、25%氦气+75%氩气混合气体和50%氦气+50%氩气混合气体作为焊接保护气体。焊接电流采用两种，一种为单脉冲焊接电流，另一种为双脉冲接电流，单脉冲MIG电流分别为130，160，190，220A，双脉冲电流则是在单脉冲电流基础上添加电流小于60A的小电流，电流波形为方形波，频率为2Hz，占空比为50%。焊接设备为松下YD-500FD型焊机。

1.2鱼骨状裂纹试验方法

使用鱼骨状裂纹试验比较不同焊接工艺下的焊缝凝固裂纹敏感性大小，鱼骨试板加工尺寸如图1所示。焊接前，鱼骨试板采用夹持装置进行刚性固定，夹持装置整体使用散热性较好的黄铜材料进行冷却，并且在鱼骨试板焊缝所在位置下方处预留凹槽；焊接后，等待焊缝冷却至室温再取出鱼骨试板；最后使用渗透探伤方法检测焊缝凝固裂纹，焊缝凝固裂纹长度越长代表其裂纹敏感性越大。

图1 鱼骨状试板尺寸示意图

1.3 化学成分分析

取鱼骨试板焊缝裂纹止裂附近金属作为待测试样，试样的焊缝截面经砂纸粗抛后，再使用三酸电解抛光。腐蚀剂为keller试剂，腐蚀时间90s，然后使用日立S300型扫描电镜观察焊缝晶界，并对晶界进行能谱扫描，分析其化学成分。

2 试验结果与分析

2.1 保护气体与焊接电流对焊缝凝固裂纹敏感性的影响

如图2所示，焊接保护气为100%氩气时，鱼骨试板在不同焊接电流下形成了不同长度的焊缝凝固裂纹。随着电流的增加，单脉冲MIG获得的凝固裂纹长度从94.5mm逐渐增加到235mm，电流变大增加了焊缝凝固裂纹开裂的倾向。同时，当焊接保护气为75%氩气+25%氦气时，随着焊接电流从130A增加到220A，单脉冲MIG下的焊缝凝固裂纹长度从154mm增加到227.5mm；当焊接保护气为50%氩气+50%氦气时，鱼骨试板在不同热输入下所形成的焊缝凝固裂纹长度基本趋于一致，与其他两种焊接保护气焊接时最大凝固裂纹长度相当。因此，焊接电流增加会明显提高焊接保护气为100%氩气和75%氩气+25%氦气混合气时的焊缝凝固裂纹敏感性；焊接保护气为50%氩气+50%氦气时，焊缝凝固裂纹敏感性最差，电流增加对其影响不大。

横向对比焊接电流一致时焊接保护气体对焊缝凝固裂纹长度的影响。由图2可知，随氦气比例的增加，焊接电流为130A时，焊缝凝固裂纹长度从94.5mm增加到154mm，进一步增加到248mm；焊接电流为160A时，凝固裂纹长度从138mm增加到204mm，进一步增加到236mm；焊接电流为190A时，凝固裂纹长度从147.5mm增加到215mm，进一步增加到228mm。上述规律表明，氦气的占比变大会使焊缝凝固裂纹倾向增大，这是因为氦气的导热系数相比氩气更高。同时，氦气的电离势也大于氩气，因此在相同的焊接工艺参数下，使用氦气作为保护气体进行焊接会使热影响区变大，相当于提高了焊缝的热输入。此外，当焊接电流达到220A时，保护气体的成分对凝固裂纹长度的影响已不明显，凝固裂纹长度基本趋于一致。

图2 不同保护气体和焊接电流下的焊缝凝固裂纹长度

2.2 脉冲模式对焊缝凝固裂纹敏感性的影响

焊接保护气为100%氩气时，鱼骨试板分别在单脉冲与双脉冲模式下所获得的焊缝凝固裂纹长度如图3所示。由图3可知，无论焊接电源是单脉冲模式还是双脉冲模式，随着电流的增加，焊接热输入增加，凝固裂纹普遍具有增加的趋势。其中，单脉冲MIG获得的凝固裂纹长度从94.5mm增加到235mm；双脉冲MIG获得的凝固裂纹长度从150mm 增加到239mm；两种电源模式下，在焊接电流为220A时，焊缝凝固裂纹长度几乎趋于一致。

图3 不同脉冲模式下不同焊接电流的焊缝凝固裂纹长度

在单脉冲电流中添加电流小于60A的小电流形成双脉冲电流，其中小电流维持电弧稳定燃烧，大电流保证焊缝具有一定熔深，通过频率控制原电流和小电流的单位时间交替次数，能够降低焊缝单位长度热输入，热输入降低一般能够降低铝镁合金焊缝凝固裂纹敏感性。然而图3表明，在原电流为130A(小电流70A)、原电流为160A(小电流100A)和原电流为190A(小电流130A)时，双脉冲电流获得的凝固裂纹长度大于单脉冲电流获得的。该次试验所用的双脉冲电流波形正是方形电流波形，大电流到小电流过渡不平缓，导致电弧对熔池的振荡作用不明显，电流转换期间，液相无法充分填充枝晶间隙，小电流阶段，枝晶间凝固收缩加剧，凝固裂纹源变多，焊缝凝固裂纹敏感性更大。单脉冲焊接热输入大，液相停留时间长，单位时间枝晶间隙相对填充的液相更多，其焊缝凝固裂纹敏感性相比方形电流波形双脉冲MIG的随之下降。

2.3 焊缝显微组织与凝固过程

为研究焊缝凝固裂纹长度与显微组织的关系，选用凝固裂纹长度为147.5mm和235mm的焊缝试样进行显微组织分析。图4 a)表明，凝固裂纹长度为147.5mm时，晶界较为连续，连续晶界有利于低熔点共晶化合物液相补充晶体凝固收缩形成的枝晶间隙，降低凝固裂纹敏感性。图5a)表明，凝固裂纹长度为235mm时，晶界呈断续状，且晶界较厚，此类晶界表明液相在此处填充受到阻碍，凝固收缩形成的枝晶间隙不能及时得到液相填充，更易形成裂纹源。铝镁合金焊缝晶界为共晶β相，文献指出β相在镁含量小于3%(质量分数)时不容易从晶界中析出，提高镁含量，沿晶界析出的β相在变形过程中就会变成凝固裂纹的裂纹源。因此，晶界化学成分是影响铝镁合金凝固裂纹开裂的重要因素之一。

图4 凝固裂纹长度147.5mm时的焊缝晶界微观形貌及能谱图

图5 凝固裂纹长度235mm时的焊缝晶界微观形貌及能谱图

能谱扫描结果表明，凝固裂纹长度147.5mm的焊缝区晶界的镁含量为6.71% (质量分数，下同)，凝固裂纹长度235mm的焊缝区晶界的镁含量为3.92%，前者晶界镁含量多于后者。使用Pandat软件对两种镁含量的铝镁相图进行非平衡凝固模拟，模拟结果显示，镁含量6.75%时的固相形成温度低于镁含量3.92%时的，前者于629℃时开始形成固相，后者于642℃时才开始形成固相，同时前者于501℃时几乎完全凝固，后者于573℃时就几乎完全凝固。

图6 t-(fS)^1/2散点图

从Pandat软件模拟结果中采集凝固过程的温度t和固相质量分数fS数据，绘制 t-(fS)^1/2散点图，如图6所示。散点图中t与(fS)^1/2的瞬时速率最大值可作为铝镁合金凝固过程凝固裂纹敏感性大小的指标，这一指标值越大，则代表凝固裂纹敏感性越大；由图6可知，镁含量6.71%的∣ dt/d(fS)^1/2∣ 最大值小于镁含量3.92%的∣ dt/d(fS)^1/2 ∣最大值，即前者凝固裂纹敏感性小于后者，这与实际焊接情况相符。因此，晶界镁含量与焊缝凝固裂纹敏感性有重要联系，在5052铝镁合金焊接中，镁含量越多，凝固裂纹敏感性越小。

03 结论

(1) 使用单脉冲MIG焊接5052铝镁合金，在焊接保护气氩气中添加25%氦气，其焊缝凝固裂纹敏感性显著增加；当氦气比例增加到50%时，焊缝凝固裂纹长度与使用其他两种焊接保护气获得的裂纹长度趋于一致，裂纹敏感性最差。

(2) 在5052铝镁合金单脉冲MIG中，随焊接电流增加，焊缝凝固裂纹敏感性增大；方形电流波形双脉冲MIG的焊缝凝固裂纹敏感性比单脉冲MIG的大。

(3) 晶界镁含量与5052铝镁合金焊缝凝固裂纹敏感性大小有关，晶界镁含量增加，有助于形成连续晶界，5052铝合金焊缝凝固裂纹敏感性减小。