5A06薄板鋁合金的手工鎢極氬弧焊工藝研究

■李常青 樊 虎

一、引言

鋁合金具有較高的比強(qiáng)度，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及良好的耐蝕性，因此，在航空航天、機(jī)械制造、電工、化學(xué)工業(yè)和某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合得到大量的應(yīng)用。5A06鋁合金是Al-Mg系非熱處理強(qiáng)化防銹鋁合金，其可焊性很好，通常作為焊接結(jié)構(gòu)材料使用。

5A06鋁合金焊接時(shí)有以下特點(diǎn)：1.表面極易形成一層難容的氧化膜，焊接時(shí)若不能有效清除易出現(xiàn)未焊透、未熔合、夾雜和氣孔等缺陷；2.其導(dǎo)熱性強(qiáng)而熱容量大，必須采用能量集中的熱源；3.線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)易產(chǎn)生變形，在拘束應(yīng)力下易導(dǎo)致裂紋；4.焊接接頭易出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度偏低，塑性不足?，F(xiàn)目前，鋁合金焊接方法主要有氬弧焊、電阻焊、電子束焊、電渣焊和釬焊等。其中，鎢極氬弧焊是在惰性氣體氬氣的充分保護(hù)下進(jìn)行焊接，阻止空氣中有害氣體的傾入，能夠獲得性能較好的焊接接頭，焊縫成型美觀。手工鎢極氬弧焊是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種焊接方法。

通過(guò)不斷深化和完善，其在焊接鋁合金時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.防止空氣侵入，接頭處不受氧、氮及氫的侵蝕，可獲得高質(zhì)量的焊縫；2.避免焊縫中生成夾渣和氣孔；3.焊縫及構(gòu)件的收縮量很?。?.焊接接頭的力學(xué)性能和抗蝕性能大大提高；5.對(duì)構(gòu)件準(zhǔn)備工作要求不高，焊接操作簡(jiǎn)單。

本文針對(duì)某型號(hào)5A06鋁合金產(chǎn)品焊接問(wèn)題，對(duì)試板進(jìn)行了不同工藝參數(shù)條件下的手工鎢極氬弧焊焊接，設(shè)計(jì)了焊接工裝夾具，獲得了理想的工藝參數(shù)，焊接接頭性能達(dá)到指標(biāo)要求。通過(guò)本次試驗(yàn)，為我廠某產(chǎn)品實(shí)際焊接提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，也為5A06鋁合金手工鎢極氬弧焊提供了技術(shù)參考。

表1 5A06鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

二、試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為400mm×80mm×5mm規(guī)格的5A06鋁合金板材，示意圖如圖1，手工鎢極氬弧焊填絲為φ3.0的鋁鎂焊絲。表1給出了5A06鋁合金化學(xué)成分。其室溫抗拉強(qiáng)度為320MPa。

焊接設(shè)備為交流氬弧焊機(jī)，試板采用平板對(duì)接接頭形式，試驗(yàn)前將待焊的試板進(jìn)行堿洗處理，在烘箱中烘干后按照表2給出的6組焊接工藝參數(shù)進(jìn)行手工鎢極氬弧焊接。其中保護(hù)氣體為99.99%的氬氣，焊接時(shí)氣流量為8L/min。焊接時(shí)先進(jìn)行點(diǎn)焊，然后進(jìn)行坡口正面焊接，然后用砂輪對(duì)背面進(jìn)行打磨，去掉氧化膜后進(jìn)行背面焊接。

圖1 試板加工示意圖

表2 焊接工藝參數(shù)

焊后將外觀成型好的焊縫按照QJ2698-95 Ⅰ級(jí)進(jìn)行X光透視檢查。為了考察手工鎢極氬弧焊焊接接頭在常溫下的力學(xué)性能，對(duì)于無(wú)缺陷的試板，按照GB/T 2651-2008加工成拉伸試樣，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。每一試板加工5個(gè)板拉伸試樣，取其平均值為最終抗拉強(qiáng)度值。

三、焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)

圖2 平板對(duì)接示意圖

圖3 預(yù)變形對(duì)接示意圖

5A06薄板焊接易變形，通過(guò)焊后進(jìn)行人工時(shí)效可消除殘余應(yīng)力，保證接頭強(qiáng)度。按照?qǐng)D2平板對(duì)接進(jìn)行手工鎢極氬弧焊焊接，焊后發(fā)生先焊面受壓應(yīng)力的變形。經(jīng)過(guò)人工時(shí)效后，并未消除焊接變形。為減小焊接變形，按圖3在點(diǎn)焊時(shí)給5°～10°預(yù)變形，焊后進(jìn)行人工時(shí)效后，存在輕微變形，且預(yù)變形角度的控制也難以達(dá)到最終尺寸精度要求。為進(jìn)一步防止或減少工件的焊接變形，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的工裝夾具，示意圖如圖4所示。使用工裝夾具焊接后進(jìn)行人工時(shí)效，能控制試板的焊接變形，滿足尺寸精度要求。

圖4 使用夾具對(duì)接示意圖

四、不同工藝條件下，接頭抗拉強(qiáng)度結(jié)果分析

通過(guò)使用工裝夾具，并按照表2工藝參數(shù)進(jìn)行手工鎢極氬弧焊焊接，獲得6個(gè)焊接接頭，分別給每一接頭打上1到6的編號(hào)。通過(guò)X光透視檢查發(fā)現(xiàn)所有編號(hào)的接頭都未出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，都具有成型性較好的焊縫。影響焊接接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有氣體流量和焊接電流。

99.9%的高純氬惰性氣體可以保護(hù)熔池不被氧化，氣流量又對(duì)工藝性能和最終焊縫成型有重要影響。氣流量過(guò)大會(huì)使熔池“翻漿”，周圍空氣容易卷入熔池，保護(hù)效果不好；氣流量過(guò)小，排除周圍氣體的能力也減弱，同樣使保護(hù)效果降低。通過(guò)調(diào)整，焊接時(shí)氣流量選擇8L/min時(shí)能達(dá)到最佳效果。

焊接熱輸入對(duì)接頭成型和最終性能有直接影響。熱輸入過(guò)大，容易出現(xiàn)過(guò)燒、大的焊接變形、熱影響區(qū)晶粒粗化等現(xiàn)象。熱輸入過(guò)小，熔池停留時(shí)間短，不利于熔池中氫的逸出，容易獲得淬硬的組織。公式(1-1)為焊接熱輸入公式:

式中：E為焊接熱輸入，J/cm；U為焊接電壓，V；I為焊接電流，A；ν為焊接速度，cm/min。

由公式(1-1)可知，焊接熱輸入與電壓電流成正比，與焊接速度成反比。在實(shí)際焊接過(guò)程中電壓變化不大，選擇的焊接速度一定，那么焊接熱輸入主要由焊接電流決定。通過(guò)研究焊接熱輸入和試板抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，可找到最優(yōu)化的焊接參數(shù)以滿足接頭的使用性能。

通過(guò)對(duì)6組試板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取試驗(yàn)獲得的5個(gè)抗拉強(qiáng)度值的平均值作為每一工藝參數(shù)條件下抗拉強(qiáng)度。圖5給出了這6組不同工藝參數(shù)下所得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖5 不同焊接電流下接頭抗拉強(qiáng)度

由圖5可知：焊接電流為200A時(shí)獲得接頭抗拉強(qiáng)度最高，其值為291MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的90.6%，其表現(xiàn)出最好的接頭抗拉強(qiáng)度。選擇焊接電流為200A時(shí)工藝參數(shù)為最終的產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)。

焊接電流分別為160A、170A、180A時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度變化不大分別 為 275MPa、272MPa、284MPa， 分別為母材抗拉強(qiáng)度的85.9%、85%、88.5%。雖然這3組表現(xiàn)出了較好的抗拉強(qiáng)度，但比焊接電流為200A時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度低。

焊接電流為220A、230A時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度較焊接電流為200A時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度小，分別為母材抗拉強(qiáng)度的87.5%、81.6%，隨著焊接電流的增加，接頭抗拉強(qiáng)度有明顯減小趨勢(shì)。焊接電流是決定焊縫熔深的最主要參數(shù)，隨著電流的增加熔深增加，同時(shí)使熱影響區(qū)加大，接頭出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，強(qiáng)度降低。

五、結(jié)論

1.5mm厚5A06鋁合金試板采用手工鎢極氬弧焊時(shí)產(chǎn)生焊接變形，通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易焊接工裝后，能有效控制焊接變形，滿足后續(xù)尺寸加工精度要求。

2.通過(guò)設(shè)計(jì)6組不同焊接工藝參數(shù)，對(duì)鋁合金試板進(jìn)行手工鎢極氬弧焊焊接，均獲得成型良好的焊接接頭。其中焊接電流為200A時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的90.6%，表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，從而也將焊接電流為200A時(shí)的工藝參數(shù)作為實(shí)際產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)(第二版)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2007.7:507-519.

[2]曾樂(lè).現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊(cè)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1996:243-281.

[3]王繼長(zhǎng)，向嚴(yán)君。5A06鋁合金薄壁貯箱焊接[J].火箭推進(jìn)2010.10:50-53.

[4]劉紅偉，王法科等.5A06鋁合金焊接接頭性能研究[J].兵器材料科學(xué)與工程.