淺談5A03鋁合金的焊接工藝

楊玉坤

【摘 要】 鋁合金是一種應(yīng)用非常廣泛的材料，因其密度小、力學(xué)性能好、耐腐蝕，因而在船舶制造、汽車(chē)、家居建材等行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。5A03鋁合金焊接過(guò)程比較復(fù)雜，很容易會(huì)出現(xiàn)各種焊接性問(wèn)題，如變形、氣孔、夾渣、裂紋等，因而需要多加注意，以滿足使用要求。

【關(guān)鍵詞】 純鋁及鋁合金 比強(qiáng)度 焊接性 焊接工藝

鋁是一種輕金屬，有銀白色光澤，導(dǎo)電及導(dǎo)熱能力強(qiáng)，熱導(dǎo)率大，無(wú)磁性，密度小，比強(qiáng)度高，延展性好，適于拉伸加工及其他各種冷熱塑性成形。另外，其自身化學(xué)性質(zhì)活潑，長(zhǎng)時(shí)間在潮濕環(huán)境或腐蝕介質(zhì)中，表面容易形成一層致密的氧化膜，即Al2O3，能有效的抵抗腐蝕。同時(shí)，鋁及其合金沒(méi)有低溫脆性，在低溫下不像鋼材一樣易脆斷。鋁最早應(yīng)用到船舶上是在19世紀(jì)80年代末期，第一艘全鋁船被建造出來(lái)，1920年以后，鋁鎂合金的出現(xiàn)使鋁在船舶與海洋工程中開(kāi)始廣泛使用?？焖俣纱?、漁船、工作艇、高速汽車(chē)渡船等高速船舶的建造中船舶設(shè)計(jì)者首選的材料就是鋁材。因此，隨著船舶業(yè)的發(fā)展，船舶用鋁材會(huì)有廣闊的市場(chǎng)。除船舶制造行業(yè)以外，汽車(chē)制造行業(yè)與家具建材行業(yè)同樣對(duì)鋁合金的需求比較廣泛。鋁合金材料雖然使用性能優(yōu)良，但焊接過(guò)程卻很復(fù)雜，最大的難度就在與本身的化學(xué)性質(zhì)太活潑，氧化后表面的氧化膜會(huì)嚴(yán)重阻礙焊接過(guò)程順利進(jìn)行，繼而出現(xiàn)各種問(wèn)題。某鋁合金制門(mén)，材料型號(hào)為5A03，板厚為10mm。正式焊接前，筆者采用了一副焊接試板來(lái)檢驗(yàn)焊接工藝的可行性。試板規(guī)格為300mm×150mm×10mm 的5A03鋁合金試板，通過(guò)制定焊接工藝并實(shí)施后，利用無(wú)損檢測(cè)及力學(xué)性能試驗(yàn)來(lái)評(píng)判焊接質(zhì)量是達(dá)標(biāo)。

1 鋁合金的焊接性分析

5A03鋁合金是防銹鋁合金的一種，屬于非熱處理強(qiáng)化鋁合金，主加Mg元素，其抗蝕性、壓力加工性能好，但強(qiáng)度較低，舊牌號(hào)為L(zhǎng)F3。焊接試板時(shí)，采用的焊接方法為MIG焊，其母材及所用焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接時(shí)可能出現(xiàn)的焊接性問(wèn)題如下。

（1）焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔。鋁合金焊接時(shí)，產(chǎn)生氣孔的類(lèi)型主要是H氣孔，N氣孔及CO氣孔一般不會(huì)產(chǎn)生。H氣孔的產(chǎn)生，主要原因包括：焊接時(shí)，高溫下鋁合金對(duì)H氣體的溶解度有很大的差別，高溫時(shí)溶解度大，隨溫度的降低，其溶解度同樣隨之降低，據(jù)資料表明，高溫下的溶解度大概是凝固時(shí)的20倍左右。由于鋁的導(dǎo)熱性很強(qiáng)，焊縫金屬冷卻速度很快，在熔池階段吸收的大量的H在焊縫凝固時(shí)來(lái)不及完全析出，因而造成最終氣孔現(xiàn)象產(chǎn)生。焊接時(shí)，H的來(lái)源則主要包括：弧柱氣氛中的水分（尤其在潮濕季節(jié)或濕度大的地區(qū)）、焊接材料及母材表面的吸附水。由于鋁合金對(duì)于H氣孔很敏感，因而在焊接時(shí)要注意采取保護(hù)措施。H氣孔的其形貌如圖1所示。

（2）焊接時(shí)產(chǎn)生夾渣。鋁與氧的親和力很大，裸露在空氣中易形成一種致密的氧化膜，即Al2O3。氧化膜的熔點(diǎn)大約為2050℃，而鋁合金的熔點(diǎn)相對(duì)來(lái)講則會(huì)低很多。焊接過(guò)程中由于氧化膜的存在，會(huì)阻止金屬間的熔合，易產(chǎn)生夾渣現(xiàn)象，外觀的表現(xiàn)形式為黑色區(qū)域，周?chē)屑?xì)微的顆粒狀結(jié)晶物。另外，氧化膜在焊接過(guò)程中還會(huì)吸附水分，這也是促進(jìn)氣孔現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一。夾渣現(xiàn)象如圖2所示。

（3）焊接時(shí)易變形。5A03鋁合金的熱導(dǎo)率及比熱容要比普通的鋼材大很多，并且其線膨脹系數(shù)要比鋼大兩倍，焊接過(guò)程中熱量傳遞的很快，同時(shí)焊縫收縮時(shí)，體積收縮率比較大，很容易造成局部殘余應(yīng)力產(chǎn)生，焊后發(fā)生較大的變形。變形種類(lèi)很多，最常見(jiàn)的有橫向收縮變形、縱向收縮變形、彎曲變形、波浪變形等。焊接角焊縫時(shí)，則比較容易在殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生撓曲變形。

（4）焊接熱裂紋。焊接鋁合金時(shí)，主要的表現(xiàn)形式是焊縫凝固裂紋和近縫區(qū)液化裂紋。焊接時(shí)，由于鋁合金的散熱速度快，合金中存在雜質(zhì)元素過(guò)多時(shí)，易形成三元共晶物，其熔點(diǎn)很低，容易在焊接應(yīng)力作用下促使鋁合金產(chǎn)生裂紋。而鋁合金的物理性能又使其本易產(chǎn)生較大的應(yīng)力作用，因而熱裂紋現(xiàn)象比較明顯。

（5）焊縫根部易燒穿。鋁合金焊接時(shí)，固態(tài)與液態(tài)金屬之間無(wú)明顯的色澤變化，并且高溫下鋁合金的強(qiáng)度比較低，焊接時(shí)若不加注意則很容易燒穿。

2 焊接工藝的制定

根據(jù)對(duì)5A03鋁合金的焊接性特點(diǎn)分析，現(xiàn)制定了如下工藝方案：

（1）焊接方法采用半自動(dòng)MIG焊，所用設(shè)備為OTC數(shù)字逆變控制脈沖MIG/MAG焊接機(jī)，焊機(jī)型號(hào)為CPDP-350，輸入電壓為3相380V，輸出電流為40～350A，頻率為50/60Hz，焊槍型號(hào)為WT3510-SCD。保護(hù)氣體為氬氣，要求氣體純度保證在99.99%，焊接坡口如圖3所示。坡口樣式采用V形，鈍邊高度為2mm，間隙為1mm，坡口角度為70°，坡口加工方法采用自動(dòng)式空氣等離子切割機(jī)。

（2）焊前清理。焊絲表面采用化學(xué)方法進(jìn)行清理，所用的化學(xué)溶劑為丙酮溶液與低溶度氫氧化鈉溶液及稀硝酸溶液。化學(xué)法清理時(shí)，丙酮溶液可以將焊絲表面進(jìn)行脫脂處理，氫氧化鈉溶液堿洗焊絲表面可能出現(xiàn)的氧化膜，溶液要求提前加熱，堿洗時(shí)間為5min左右，之后再清水沖洗。稀硝酸溶液是在水洗后進(jìn)行的酸洗過(guò)程，可以中和過(guò)度氧化的鋁合金焊絲，最后再水洗并干燥處理。母材表面采用機(jī)械方法進(jìn)行清理，所用的器具為丙酮溶液與不銹鋼鋼絲刷，用丙酮溶液將母材進(jìn)行脫脂處理后，再用不銹鋼鋼絲刷將母材坡口及坡口表面20mm范圍內(nèi)刷出金屬光澤。經(jīng)過(guò)焊前清理過(guò)程的焊絲及母材要保證在3h內(nèi)焊接完畢，否則放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊絲及母材表面會(huì)重新形成氧化膜。

（3）預(yù)熱處理。由于選用的5A03鋁合金板材厚度比較大，焊前要進(jìn)行預(yù)熱處理，目的是為了防止焊接變形與未焊透的產(chǎn)生，預(yù)熱溫度不超過(guò)90℃，加熱方式采用氧乙炔火焰。

（4）預(yù)制反變形。根據(jù)焊接殘余應(yīng)力作用原理，試件裝配成水平對(duì)接并焊接完成后，兩端會(huì)發(fā)生向上的撓曲變形。因此，焊接前先將試板向上預(yù)制4～5°的反變形，這樣，焊接完成后，試件會(huì)在殘余應(yīng)力的作用下變平整。預(yù)制反變形之后在進(jìn)行定位焊，保證錯(cuò)邊量小于3mm。

（5）在試板的兩端設(shè)置引弧板與熄弧板。引弧板與熄弧板材料與母材相同。焊接時(shí)，共采用3層焊道來(lái)焊滿整個(gè)焊縫，正面兩層，反面一層，正面焊接完畢后，反面要進(jìn)行清根處理。焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

3 無(wú)損檢測(cè)

根據(jù)國(guó)標(biāo)相關(guān)要求，對(duì)鋁合金焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目為：RT100%I級(jí)、UT100%I級(jí)。經(jīng)無(wú)損檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)焊縫無(wú)缺陷。

4 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，對(duì)試樣做拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)均合格。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁合金焊接時(shí)，防護(hù)設(shè)施要做到位，焊前清理工作要認(rèn)真進(jìn)行，保證焊接質(zhì)量的問(wèn)題可以比較容易做到。此次選擇的焊接工藝適合于正式焊接，選擇好相應(yīng)的焊接材料后便可施焊。隨著科技的進(jìn)步，焊接鋁合金工藝肯定會(huì)越來(lái)越簡(jiǎn)易，新的焊接方法定將不斷產(chǎn)生，以適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需要。

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