超硬鋁合金水管焊接工藝研究

呂金波 周燕妮 孟憲飛

1. 概述

鋁合金具有比重小、比強度高、易加工成形及抗腐蝕性等特點，在各類高速船舶、鐵路車輛和工程機械中廣泛應用。但因其與氧親和力大、導熱性比碳鋼高3~4倍，導致鋁合金焊接性較差，易出現(xiàn)（氫）氣孔、結晶裂紋及液化裂紋等焊接缺陷。

本文針對6系、7系硬鋁、超硬鋁合金開展焊接工藝試驗，通過分析焊接過程中缺陷產(chǎn)生原因，選擇相匹配的焊材合金系，優(yōu)化焊接工藝，形成可支撐鋁合金水管焊接生產(chǎn)的工藝規(guī)范。

2. 焊接試驗

本文主要針對6系（6063）鋁合金水管之間的管管對接、6系（6063）鋁合金水管與7系（7075）鋁合金法蘭盤之間的管板角接開展試驗。

6063鋁合金具有良好的抗腐蝕性及加工成形性，既可用于擠出水管型材，又適用于鍛造加工；7075鋁合金力學性能優(yōu)越，合金元素含量高、熱裂敏感性強，焊接過程中易形成結晶裂紋、液化裂紋及氣孔，二者主要化學成分如表1所示。

3. 缺陷分析

（1）焊接氣孔 一方面來源于焊絲、鋁合金母材在加工過程粘附于表面的油脂等含氫的污染物，或其表面氧化膜中吸附的潮氣和水分；另一方面主要為惰性保護氣體的氣體流量不當，焊縫中氫主要來自空氣中的水分。保護氣體流量過小，氣流挺度差，排除周圍空氣能力弱，保護效果不佳；反之，流量過大，氣流易變成紊流，易使空氣卷入，從而降低保護效果。

焊縫氣孔的預防主要從焊接操作規(guī)范方面控制。焊前使用丙酮或酒精等有機溶劑擦拭焊縫表面油污，然后再使用不銹鋼絲刷清理焊縫表面氧化皮，并選用適中氣體流量。

（2）熱裂紋 母材確定后，焊接接頭熱裂紋的出現(xiàn)主要取決于焊絲的選配。鋁合金焊接熱裂紋有兩種特征：一種為出現(xiàn)于焊縫中心或弧坑內的結晶裂紋，另一種為出現(xiàn)于母材熔合線或多層焊時前層焊縫熱影響區(qū)內的液化裂紋。

結晶裂紋屬于鋁合金焊接過程中典型缺陷。鋁合金焊接熔池凝固時為二元或多元共晶合金，由于熔池加熱和冷卻速度快，固相和液相之間的擴散來不及進行，熔合合金無法建立平衡狀態(tài)，先結晶的為高熔點組元，后結晶的低熔點組元被排擠在焊縫中心，在焊接應力作用下發(fā)生開裂，形成焊縫結晶裂紋。

液化裂紋主要取決于母材與焊材合金系的匹配。當焊縫金屬的熔點低于母材的熔點時，焊縫金屬能順沿熔合線兩側晶間的液相通道流到母材近縫區(qū)，愈合可能產(chǎn)生的液化裂紋，母材熔合線附近不易產(chǎn)生液化裂紋。反之，當焊縫金屬的熔點高于母材的熔點時，母材熔合線附近最后凝固，在焊接收縮應力作用下，易在熔合線附近出現(xiàn)液化裂紋。

表1 6063、7075鋁合金主要化學成分（質量分數(shù)）（%）

根據(jù)上述分析，本文重點從焊接操作規(guī)范和焊材合金系選型兩個方面開展試驗。

4. 試驗過程及結果

（1）焊材合金系的選擇 由于本文研究的鋁合金水管對密封性能要求高，而對于力學性能要求低（內部承壓≥6MPa即可），為此本文選擇抗焊接裂紋性能優(yōu)越的Al-5%Si合金系焊絲作為本次試驗用焊接材料。Al-5%Si焊絲的液態(tài)金屬流動性好，特別是凝固時收縮率小，因而有優(yōu)良的抗焊接裂紋性能，但焊縫強度較低，適用于鍛鋁、硬鋁及超硬鋁合金的焊接，焊絲中加入少量鈦，可以起到變質作用，細化焊縫晶粒。

選用焊絲牌號為ER4043，f3.0mm，焊絲成分如表2所示。

（2）試驗接頭形式及焊接參數(shù) 焊接接頭分為6063-6063管管對接、6063-7075管板角接兩種，接頭形式如圖1、圖2所示，試驗過程焊接參數(shù)如表3所示。

（3）焊接工藝 焊前準備：①采用角磨機機械打磨待焊件焊縫兩側25mm區(qū)域至露出金屬光澤，打磨后用乙醇擦拭打磨區(qū)域，確保打磨區(qū)域附件無鋁屑、砂礫等異物，以免焊接過程中產(chǎn)生未熔合缺陷；同時蒸發(fā)表面水汽，避免焊縫附近出現(xiàn)氣孔缺陷。②定位焊時，采用外力約束構件，避免焊點收縮引起點焊變形。③利用焊槍預熱焊道，不填焊絲，預熱至焊道處母材表層“微熔”狀態(tài)，不熄滅電弧直接填充焊絲焊接；當室溫低于5℃時，需要利用加熱器加熱焊道兩側25mm內至90~100℃之間。

表2 ER4043焊絲成分（質量分數(shù)）（%）

焊接過程：①焊接過程中，需保證足夠的氬氣流量，避免焊縫氧化。在提升電流的同時，應適當?shù)靥岣邭鍤鈿怏w流量。②確保焊絲尖端時刻處于焊槍噴嘴保護氣體范圍內，避免過熱的焊絲尖端被氧化。③再次起弧焊接時，由于焊絲尖端失去Ar氣保護已被氧化，應切除尖端5~10mm。④收弧時，采用“畫圈法”填滿弧坑，且熄弧后仍需將焊槍對準弧坑3~5s，使用殘余氣體保護正在凝固的弧坑不被氧化。

圖1 管-管對接接頭形式

圖2 管板角接接頭形式

表3 試驗過程焊接參數(shù)

（4）探傷結果 由于力學性能要求低、對接焊縫無熔透要求，采用滲透探傷檢測焊縫表面缺陷情況。角焊縫和對接焊縫檢測結構均合格，滿足JB/T4730.5—2005標準要求，探傷結果如圖3所示。

（5）力學性能及宏觀熔深觀察 按照GB/T 19869.2—2012《鋁及鋁合金的焊接工藝評定試驗》標準，結合鋁合金水管實際應用工況要求，主要進行對接接頭拉伸、彎曲力學性能測試，角接接頭進行熔深觀察。

首先，力學性能測試：180°、D=57mm背彎表面無裂紋，拉伸試樣斷裂位置在母材處，抗拉強度滿足NB/T47016—2011《承壓設備產(chǎn)品焊接試件的力學性能檢測》標準中規(guī)定，6063（T6焊）鋁合金抗拉強度最低值118MPa，本次拉伸試驗結果滿足標準要求。試樣如圖4所示、試驗結果如表4所示。

圖3 對接、角接焊縫探傷合格

圖4 彎曲、拉伸試樣

其次，角接焊縫宏觀熔深觀察：采用5%NaOH水溶液、室溫環(huán)境下腐蝕3~5min，熔池在7075母材一側，最大熔深為1.2mm，在6063母材一側最大熔深為1.5mm。結果表明，Al-5%Si焊材合金系與6063鋁合金熔合性要優(yōu)于7075，兩者熔深均可滿足使用要求（見圖5）。

表4 力學性能測試結果

圖5 管板角接熔深情況

5. 結語

（1） 選用Al-5%Si合金系焊材可滿足6系、7系硬鋁、超硬鋁合金水管的焊接。

（2） 焊前焊縫區(qū)域清理、預熱，焊接過程氣體流量及連續(xù)送絲等操作規(guī)范對于預防焊接氣孔、熱裂紋等均有良好效果。

（3） 焊后力學性能及熔深觀察結果表明，ER4043焊絲可以滿足鋁合金水管的焊接要求。