5A06鋁合金薄壁筒形件脈沖交流TIG焊工藝研究*

強(qiáng) 偉，溫斌和，馬 歡，李 歡

（1.西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710065；2.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門361023；3.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215028）

5A06 鋁合金屬于鋁鎂系非熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的抗腐蝕斷裂韌性和焊接性能，是一種綜合性能良好的鋁合金，在航空航天、 汽車制造、 船舶、 容器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為性能理想的輕量化材料[1-4]。 船舶舾裝時采用的某筒形關(guān)鍵部件由于壁厚較薄，采用船舶制造過程中廣泛應(yīng)用的手工熔化極氣體保護(hù)焊 （GMAW）容易出現(xiàn)焊縫成形質(zhì)量一致性差、 斷續(xù)性焊穿等問題，往往需要多次無損探傷并進(jìn)行補(bǔ)焊才能完成，反復(fù)修補(bǔ)的熱循環(huán)對接頭性能影響較大。 脈沖TIG 焊采用可控的脈沖電流加熱工件，在峰值電流期間加熱熔化工件形成點(diǎn)狀熔池，在基值電流期間冷卻使熔池凝固，整個焊接過程是一個斷續(xù)的加熱過程，焊縫由一個一個點(diǎn)狀的熔池疊加而成[5]。 采用脈沖電流，可以減少焊接電流的有效值，能有效控制焊件的熱輸入[6]，細(xì)化晶粒[7]，減小熱影響區(qū)寬度，降低焊接變形[8-10]，十分適用于薄板焊接。 另外，鋁合金焊接的突出問題之一就是焊縫氣孔的產(chǎn)生，這嚴(yán)重制約了鋁合金焊接質(zhì)量的提高，采用脈沖電流還有利于攪拌熔池，促進(jìn)熔池流動，使氣體能夠更快逸出，進(jìn)而減少焊縫氣孔缺陷[11-13]。

1 試驗(yàn)材料及方法

圖1 筒形試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)示意圖

筒形構(gòu)件的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由左右法蘭和中部圓筒主體構(gòu)成，需要采用兩條環(huán)形焊縫連接。材質(zhì)為5A06 鋁合金，材料化學(xué)成分見表1[14]。 左端蓋的中心孔直徑為40 mm，中間圓筒規(guī)格為Φ245 mm×600 mm×2.5 mm，右端蓋的中心孔直徑為200 mm，因采用雙面焊工藝施焊難度較大，故本研究選用單面焊雙面成形的機(jī)器人自動焊工藝。通過前期的工藝探索發(fā)現(xiàn)，不附加脈沖的交流方波TIG 焊易出現(xiàn)焊縫起始階段難以熔透，而在焊縫中部和末端極易出現(xiàn)熔池坍塌甚至焊穿，如圖2 所示。 因而改用交流脈沖TIG 焊工藝。 采用平焊位置時，發(fā)現(xiàn)熔池在重力的作用下，坍塌傾向大幅增加，故選擇立焊位置進(jìn)行作業(yè)。 另外，由于工件壁厚較薄，因此采用不填充焊絲的自熔焊方式。

焊接設(shè)備為福尼斯Magicwave3000 交直流TIG 焊機(jī)及安川機(jī)器人焊接系統(tǒng)，主要工裝為一臺旋轉(zhuǎn)-傾翻模式的雙軸變位機(jī)，進(jìn)行工件的旋轉(zhuǎn)及翻轉(zhuǎn)作業(yè)。 試驗(yàn)前采用角磨機(jī)對試驗(yàn)件表面氧化物進(jìn)行清理，并用丙酮清理油污，而后固定于變位機(jī)上，操作機(jī)器人開始自動焊接。

表1 5A06 鋁合金的化學(xué)成分 %

圖2 非脈沖交流方波TIG 焊正反面成形

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單面脈沖焊焊接工藝規(guī)范

由焊接試驗(yàn)得到了該結(jié)構(gòu)合理的焊接工藝參數(shù)，見表2。 筒形件的焊縫表面形貌如圖3 所示。

通過觀察5A06 鋁合金焊接接頭可以看出： 焊縫表面光亮，且呈魚鱗狀分布，熔寬一致性良好，由于采用自熔焊工藝，焊縫表面幾乎與周圍母材平齊。 焊接規(guī)范中，左端法蘭的焊縫采用了較大的脈沖峰值電流，因?yàn)樽蠖朔ㄌm體積較大，散熱較快，而右端法蘭的體積較小，散熱較慢，因而左端法蘭的熱輸入大于右側(cè)，否則可能出現(xiàn)未焊透的狀況。

表2 脈沖TIG 焊工藝參數(shù)

圖3 筒形件焊縫表面形貌

2.2 焊接接頭的顯微組織

對焊接件進(jìn)行金相試樣采樣，并進(jìn)行相應(yīng)的金相試樣制備后，采用金相顯微鏡觀察顯微組織，圖4 為5A06 鋁合金脈沖TIG 焊焊接接頭顯微組織。

圖4 （a） 為母材組織，其軋制工藝特征明顯，組織呈纖維條帶狀，具有明顯的方向性，組織為 α-Al 和少量的析出強(qiáng)化相。 圖4 （b） 為熔合區(qū)組織，熔合線兩側(cè)分別為熱影響區(qū)和焊縫，熱影響區(qū)的纖維條帶組織開始模糊，部分區(qū)域已經(jīng)完全消失，焊縫區(qū)的組織為基體上彌散分布細(xì)小的第二相。 圖4 （c） 為焊縫區(qū)組織，結(jié)合鋁-鎂合金相圖分析可知，組織為α-Al 和β-Al3Mg2及少量的析出強(qiáng)化相，β-Al3Mg2彌散分布在α-Al 上，起彌散強(qiáng)化作用。 圖5 為焊縫組織的掃描電鏡照片，可清楚地看到β-Al3Mg2呈點(diǎn)狀或鏈狀分布。 通過圖像處理 （首先標(biāo)記第二相區(qū)域，然后對圖像進(jìn)行二值化處理，最后計算黑色部分面積占總面積的比例） 的方法計算得知，第二相β-Al3Mg2在整個組織中所占比例為14.8%。

圖4 5A06 鋁合金脈沖TIG 焊焊接接頭顯微組織

圖5 焊縫區(qū)組織掃描電鏡照片

2.3 顯微硬度及接頭軟化機(jī)理分析

接頭的硬度分布一定程度上反映了接頭的力學(xué)性能，硬度的低谷對應(yīng)的區(qū)域是接頭軟化最嚴(yán)重的位置。 為了進(jìn)一步了解接頭不同區(qū)域強(qiáng)度的分布情況，進(jìn)行接頭顯微硬度檢測，測試參數(shù)： 加載載荷為 0.1 kgf，加載時間為 10 s，測試點(diǎn)間距為0.3 mm，所測的顯微硬度分布曲線如圖6 所示，由圖6 可知，所測試的焊縫寬度約為5.5 mm。 母材硬度約為83HV0.1，接頭存在較為明顯的軟化現(xiàn)象，且接頭區(qū)的顯微硬度值波動起伏大，這是因?yàn)楹附訜嵫h(huán)相當(dāng)于一個局部快熱快冷的熱處理工藝，且為移動熱源，因而使得接頭組織為一種非平衡組織，從而在顯微硬度值上表現(xiàn)為一種硬度起伏現(xiàn)象。

圖6 焊接接頭顯微硬度分布曲線

圖7 焊縫橫向Mg 元素分布

對于接頭軟化機(jī)理的研究，汪興均等[15]對5A06 鋁合金電子束焊接接頭Mg 元素的蒸發(fā)燒損行為進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明Mg 元素的燒損程度與接頭軟化程度呈正比，即燒損程度越大，軟化越嚴(yán)重。 鑒于此，采用掃描電鏡對焊縫橫向進(jìn)行線掃描，分析Mg 元素的分布情況。 測試結(jié)果如圖7 所示。 由圖7 可以看出，有一點(diǎn)處Mg元素含量為零，此處應(yīng)為孔洞或?yàn)椴缓琈g 元素的夾雜。 由于采集點(diǎn)較密集，使得元素分布呈噪聲信號分布，故對分布圖進(jìn)行描線處理，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 顯微硬度分布曲線 （見圖6）中，在近焊縫中心兩側(cè)存在硬度低谷，而Mg 元素分布曲線 （見圖7） 中，在近焊縫中心兩側(cè)也存在Mg 元素含量低谷現(xiàn)象，因此可認(rèn)為5A06鋁合金接頭軟化現(xiàn)象與Mg 元素在焊接過程中的燒損有關(guān)。 而且從圖7 可以看出存在一個小角度的上升通道，從掃描軌跡可知，掃描路線與試樣焊縫并不是完全垂直的，存在輕微的傾斜 （掃描線兩端與工件邊緣的距離d＜D），故在距焊縫表面不同深度處Mg 元素的燒損程度不均勻，這與熱量在焊縫中的傳輸有關(guān)。 近焊縫表面處焊縫金屬的溫度比遠(yuǎn)焊縫表面處高，因而導(dǎo)致Mg 元素的燒損程度不一致，在掃描電鏡元素分析分布圖上表現(xiàn)為一個小角度的上升通道。

3 結(jié) 論

（1） 通過脈沖交流TIG 焊工藝試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了厚度2.5 mm 的5A06 鋁合金環(huán)縫焊接，焊縫成形穩(wěn)定良好。

（2） 脈沖 TIG 焊 5A06 鋁合金焊接接頭的顯微組織為α-Al 和β-Al3Mg2及少量的析出強(qiáng)化相，β-Al3Mg2呈點(diǎn)狀或鏈狀分布。

（3） 5A06 鋁合金焊后接頭存在軟化現(xiàn)象，其機(jī)理與焊縫中的Mg 元素的燒損程度有關(guān)，且Mg 元素的燒損程度隨距焊縫表面的距離增大而減小。