鋁合金薄壁管斜對(duì)接TIG焊工藝優(yōu)化

朱雙龍，周永東，吳憲宏

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

7020鋁合金具有較高的強(qiáng)度、良好的焊接性和工藝性，屬于中高強(qiáng)Al-Zn-Mg合金，是航空設(shè)備以及地面車輛裝備的主要焊接結(jié)構(gòu)材料[1]。隨著我國(guó)電力機(jī)車、高速動(dòng)車組、城軌車輛的發(fā)展，為了滿足列車的高強(qiáng)度及輕量化運(yùn)行需求，動(dòng)車車輛、機(jī)車車輛及城軌車輛的受電弓均采用了7020鋁合金。

7020鋁合金薄壁管對(duì)接TIG焊在焊接過(guò)程中有很大的難度，對(duì)焊接工藝和焊工技能水平有很高的要求。而電力機(jī)車受電弓上的斜對(duì)接焊接接頭，由于在整個(gè)焊接過(guò)程中接頭形式、焊接位置和實(shí)際壁厚都在不斷變化，焊接難度更高，很容易出現(xiàn)焊接缺陷[2]，為此需要通過(guò)持續(xù)的焊接工藝優(yōu)化來(lái)保證焊接質(zhì)量。

2 焊接工藝

（1）接頭形式 母材材質(zhì)為7020T6，規(guī)格為?60mm×3mm，采用銑床加工出50°的斜面，保證管斜對(duì)接時(shí)兩管夾角為100°，開60°V形坡口，裝配間隙1~2mm，鈍邊1mm，接頭如圖1所示，要求單面焊雙面成形。

（2）焊接工藝 首先，焊前使用丙酮清洗鋁管表面油污后，采用不銹鋼鋼絲輪進(jìn)行拋光去除鋁管表面氧化皮。

其次，采用交流TIG焊的焊接方法，具有很好的陰極清理作用[3]；由于該處焊縫為關(guān)鍵焊縫，為有效保證焊接質(zhì)量，盡可能降低產(chǎn)生氣孔的風(fēng)險(xiǎn)，選用高純度的氬氣作為保護(hù)氣；在焊接時(shí)，工件固定，焊工通過(guò)不斷調(diào)整焊接位置完成焊接，焊完一半后翻轉(zhuǎn)工件再焊接另外一半，焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)

最后，焊后用不銹鋼鋼絲刷去除焊縫及母材表面的黑皮，焊縫外觀如圖2所示。

圖1 接頭

圖2 焊縫外觀

3 焊接缺陷及原因分析

（1）焊接缺陷 該焊縫接頭為環(huán)焊縫，為有效檢查環(huán)焊縫內(nèi)部情況，選取整個(gè)環(huán)焊縫焊接接頭，沿著截面剖切，平行焊縫軸線進(jìn)行截取，經(jīng)目視檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫背部存在未焊透、成形不良及焊瘤等缺陷，如圖3所示。按照ISO 10042《鋁及鋁合金的熔化焊接頭缺陷質(zhì)量分級(jí)》要求，未焊透及連續(xù)的成形不良均屬不允許的缺陷，而圖3中連續(xù)的未焊透缺陷嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用安全。

圖3 焊接缺陷

（2）原因分析 首先，由于管斜對(duì)接時(shí)，坡口形式比較特殊，機(jī)械加工坡口難度很高，只能使用砂輪機(jī)手工修磨出坡口，從而導(dǎo)致坡口各位置尺寸不一致，在裝配時(shí)存在錯(cuò)邊（見圖4）、間隙不一致（見圖5）的問(wèn)題，導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定，影響焊縫背面成形。

圖4 裝配錯(cuò)邊

圖5 間隙不一致

其次，管斜對(duì)接的坡口形式在整個(gè)焊接過(guò)程中實(shí)際的母材厚度在不斷變化，最大壁厚為4.67mm，最小壁厚為3mm，因此采用同樣的焊接參數(shù)焊接時(shí)，在壁厚較厚處難以焊透。

最后，現(xiàn)有鋁管的單面焊雙面成形焊接工藝開了坡口，但背部無(wú)氣體和墊板保護(hù)，非常容易在焊縫背部形成氣孔、縮溝。

4 焊接工藝優(yōu)化過(guò)程

（1）坡口優(yōu)化 由于管斜對(duì)接V形坡口的特殊性，管截面呈橢圓形，目前無(wú)合適的加工設(shè)備及加工方法制備出坡口面角度、鈍邊一致的坡口，采用手工修磨坡口容易導(dǎo)致坡口面角度、鈍邊超標(biāo)且嚴(yán)重不一致，后續(xù)裝配時(shí)容易導(dǎo)致間隙過(guò)大，錯(cuò)邊超標(biāo)。因此，為徹底解決該問(wèn)題，采用不開坡口不留間隙的工藝進(jìn)行裝配焊接，如圖6所示。

圖6 不開坡口不留間隙裝配

（2）工藝參數(shù)優(yōu)化 首先，針對(duì)焊接過(guò)程中母材厚度不一致的問(wèn)題，將焊絲直徑由?2.0mm更改為?3.2mm，提升焊縫的熔合性和焊透性，同時(shí)提升了焊接速度，熔敷效率更高[4]。

其次，以前的焊接工藝在焊接參數(shù)制定時(shí)僅考慮了焊接電流，未考慮環(huán)焊縫存在實(shí)際母材厚度變化的情況，起弧位置不容易焊透。本次工藝優(yōu)化時(shí)充分考慮上述情況，優(yōu)化引弧電流、焊接電流和熄弧電流，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，引弧電流設(shè)置為160~170A，焊接電流120~130A，熄弧電流30~35A，優(yōu)化后的焊接參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化后的焊接參數(shù)

（3）工藝驗(yàn)證 工藝驗(yàn)證步驟如下：

1）驗(yàn)證優(yōu)化后的工藝焊接標(biāo)準(zhǔn)試件的可行性，即采用兩件?60mm×3mm×300mm的7020T6試件，不開坡口、不留間隙進(jìn)行裝配，按照新工藝進(jìn)行焊接，焊后焊縫外觀和背面成形均良好，如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)接頭背面成形

2）采用優(yōu)化后的工藝焊接9件斜對(duì)接接頭，焊縫外觀成形良好（見圖8），根部全部焊透（見圖9），且無(wú)其他焊接缺陷，經(jīng)多個(gè)試件測(cè)量，焊縫背部余高均≤2.4mm（焊縫寬度為6mm），符合ISO 10042-C標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊縫余高的要求。

圖8 斜對(duì)接接頭外觀成形

圖9 根部全部焊透

3）由于該接頭形式為非標(biāo)接頭，無(wú)法通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證接頭強(qiáng)度，因此制作了不開坡口的標(biāo)準(zhǔn)接頭試件，按照優(yōu)化后的焊接工藝進(jìn)行焊接，然后加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。此外，為了比較工藝優(yōu)化前后的強(qiáng)度情況，制作了原開V形接頭的試樣作為對(duì)比試件（見圖10），以驗(yàn)證強(qiáng)度的變化。工藝優(yōu)化前后抗拉強(qiáng)度對(duì)比見表3。

圖10 對(duì)比試件

根據(jù)ISO 15614-2，7020-T6鋁合金對(duì)接焊接頭的抗拉強(qiáng)度效率為0.75，即焊后接頭抗拉強(qiáng)度應(yīng)≥350×0.75MPa=262.5MPa。由表3可以看出，開坡口與未開坡口的試件焊接接頭強(qiáng)度均滿足要求，且未開坡口的接頭強(qiáng)度略高于未開坡口的接頭。

表3 工藝優(yōu)化前后焊接接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比

4）由于新工藝直接取消了V形坡口的制備，每件可節(jié)約15min的工時(shí)；同時(shí)I形坡口不留間隙裝配相比原工藝，既縮短了裝配時(shí)間，又顯著提高了裝配質(zhì)量；此外，選用更粗直徑的焊絲，熔敷效率更高，焊接速度也得到了提升。綜上所述，通過(guò)新工藝的實(shí)施，焊接效率提高了40%。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)改善接頭坡口形式，增大焊絲直徑、優(yōu)化焊接參數(shù)等措施，不但有效地解決了7020鋁合金薄壁管斜對(duì)接TIG焊接頭中出現(xiàn)的未焊透、焊瘤、熔合不良及背部成形差的缺陷問(wèn)題，而且在一定程度上提高了接頭的強(qiáng)度，同時(shí)新工藝能帶來(lái)顯著的焊接效率的提升。

2）目前在焊接7020鋁合金薄壁管材對(duì)接接頭時(shí)，普遍采用了開坡口和預(yù)留間隙的方法，坡口加工和接頭裝配費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而本文為此類接頭不開坡口不留間隙焊接提供了可靠的依據(jù)，并且接頭質(zhì)量更優(yōu)。

3）7020鋁合金薄壁管材在制定焊接工藝時(shí)應(yīng)多做比較，進(jìn)而選擇最適宜的焊絲規(guī)格，焊接參數(shù)制定時(shí)應(yīng)重點(diǎn)設(shè)置起弧電流，確保起弧位置焊透。