鋁合金型材非全焊透接頭根部缺欠判定探討

林相遠(yuǎn)，金文福，楊振東，李 歡，張春旭

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司， 遼寧 遼陽(yáng) 111003)

交通運(yùn)輸工具的輕量化設(shè)計(jì)是近年來(lái)十分受關(guān)注的方向之一。鋁合金因具有密度小、塑性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車(chē)、軌道以及船舶等行業(yè)輕量化設(shè)計(jì)的首選結(jié)構(gòu)材料[1]，而焊接又是鋁合金深加工產(chǎn)品常用的一道工序。在進(jìn)行產(chǎn)品的焊接接頭設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性和經(jīng)濟(jì)性等因素[2]。因此，對(duì)于鋁合金型材與型材之間的連接，非全焊透對(duì)搭接接頭是一種常見(jiàn)的接頭設(shè)計(jì)形式。通過(guò)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得知，在對(duì)該種接頭進(jìn)行單脈沖MIG焊時(shí)，其焊縫根部會(huì)存在一種客觀存在的缺欠。本文對(duì)此種缺欠進(jìn)行研究，旨在為相關(guān)工作人員提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?005A-T6擠壓型材，母材化學(xué)成分滿(mǎn)足GB/T 3190-2008要求，力學(xué)性能滿(mǎn)足GB/T 6892-2015要求。進(jìn)行定位焊后，接頭根部間隙為0～0.5mm，如圖1所示，其中圖1(A)為焊接試件整體形貌示意圖，圖1(B)為焊縫的理論橫截面示意圖。

焊接方法為單脈沖MIG焊，焊接設(shè)備為Fronius TPS 5000。焊接保護(hù)氣為99.99%Ar，填充金屬為GB 10858 SAl 5356(AlMg5Cr(A))焊絲，焊絲直徑1.2mm。焊接電流為150A，焊接電壓21.1V，焊接速度45cm/min，焊接熱輸入為3.38kJ/cm。

焊接完成后使用機(jī)械加工的方式對(duì)試件進(jìn)行取樣，對(duì)樣件進(jìn)行宏觀金相觀察以及微觀金相觀察，以對(duì)根部缺欠進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀金相觀察

試件焊接完成后，需在一道焊縫上截取三個(gè)斷面來(lái)進(jìn)行宏觀金相觀察，三個(gè)斷面分別命名為A、B、C，斷面截取位置如圖2所示。使用NaOH水溶液對(duì)截取的斷面進(jìn)行腐蝕，之后進(jìn)行宏觀金相觀察，觀察結(jié)果如圖3所示，圖中字母a為熔合線，字母 b為焊前母材輪廓線，字母c為圖4觀察區(qū)域。由圖3可見(jiàn)，焊道根部均有宏觀缺欠存在，且圖3(B)的根部缺欠與裂紋最為相似。

2.2 微觀金相觀察

使用光學(xué)金相顯微鏡對(duì)圖3(A)(B)(C)斷面的焊縫根部缺欠進(jìn)行微觀金相觀察，觀察結(jié)果依次如圖4(A)(B)(C)所示。對(duì)于鋁合金而言，焊接時(shí)若產(chǎn)生裂紋則主要是熱裂紋，其特征是具有尖銳的缺口和較大的長(zhǎng)寬比，在裂紋擴(kuò)展時(shí)其尖端會(huì)形成很多更小的裂紋且常出現(xiàn)在熔覆金屬區(qū)域。圖4的根部缺欠均出現(xiàn)在熔覆金屬區(qū)域，其中圖4(A)斷面的根部缺欠具備裂紋特征且具有繼續(xù)開(kāi)裂傾向；但圖4(B)(C)斷面的根部缺欠特征卻與焊接裂紋特征不同，是較為圓滑的形貌，且其朝向焊縫金屬的延伸方向末端具有圓弧的特征。

為驗(yàn)證圖4(A)中的裂紋深度，將該斷面繼續(xù)打磨，打磨深度為0.10mm，打磨后進(jìn)行腐蝕及微觀金相觀察。觀察結(jié)果如圖5(A1)所示，可見(jiàn)該斷面已無(wú)“裂紋”存在，故推測(cè)圖4(A)中的微裂紋可能是由空腔引發(fā)，在焊接過(guò)程中或在機(jī)械取樣過(guò)程中形成，裂紋小而淺、打磨可去除。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，此裂紋出現(xiàn)概率僅為0.67%，故為機(jī)械取樣過(guò)程中形成的可能性更大。

2.3 根部缺欠成因分析

對(duì)于非全焊透接頭而言，其焊縫根部在焊接過(guò)程中會(huì)存在部分無(wú)法順利快速溢出的氣體。在焊接過(guò)程中，這部分氣體會(huì)殘留在焊接接頭根部并將焊縫根部區(qū)域撐起一個(gè)空腔。同時(shí)，熔池內(nèi)的流動(dòng)方式也在一定程度上影響著焊縫根部的成形。在電弧下方，由于熔池受熔滴動(dòng)態(tài)沖擊力和電磁力的作用，液態(tài)金屬會(huì)向內(nèi)流動(dòng)。遠(yuǎn)離電弧，由于表面張力溫度系數(shù)為負(fù)，液態(tài)金屬會(huì)向外流動(dòng)[3]。因此，在焊接過(guò)程中，熔池內(nèi)同時(shí)存在向內(nèi)流動(dòng)和向外流動(dòng)兩種流動(dòng)方式[3]，如圖6所示，熔池內(nèi)白色箭頭表示流動(dòng)方式，該流動(dòng)方式也有利于焊縫根部空腔的形成。

另一方面，靠近焊縫外側(cè)的填充金屬會(huì)先凝固，靠近焊縫中心側(cè)的填充金屬會(huì)后凝固[3]。本文研究的缺欠均位于焊縫中心側(cè)，故該區(qū)域熔融態(tài)金屬的凝固時(shí)間滯后于焊縫外側(cè)金屬的凝固時(shí)間。這導(dǎo)致了在焊接冷卻過(guò)程中，根部空腔周?chē)鸁o(wú)足夠的熔融態(tài)金屬來(lái)對(duì)其進(jìn)行填充，這也將利于焊后根部空腔的形成。

圖4(A)與圖4(C)為典型的根部空腔形貌，而圖4(B)為熔融金屬受重力作用對(duì)空腔進(jìn)行了部分填充但不足以完全克服根部殘留氣體以及表面張力的影響，故出現(xiàn)了這種形貌。另外，由于鋁合金熔點(diǎn)低、凝固速度快，因此這種空腔缺欠是十分容易產(chǎn)生的。

3 結(jié)論

(1)在宏觀金相觀察下，非全焊透接頭的根部有時(shí)會(huì)存在與焊接裂紋特征相似的缺欠，無(wú)法通過(guò)宏觀金相來(lái)對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，需進(jìn)行微觀金相觀察才能進(jìn)一步判斷。

(2)在100X微觀金相觀察下，該根部缺欠的末端為圓弧狀，因此不會(huì)繼續(xù)開(kāi)裂繼而產(chǎn)生焊縫失效，這與焊接裂紋的特征是不同的。個(gè)別情況下，焊縫根部可能會(huì)由空腔而引發(fā)裂紋。由于該種裂紋尺寸小、深度淺、出現(xiàn)概率低，故為機(jī)械取樣過(guò)程中形成的可能性更大。

(3)對(duì)于非全焊透接頭的根部缺欠而言，建議焊接檢測(cè)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合宏觀金相觀察結(jié)果與微觀金相觀察結(jié)果共同來(lái)對(duì)缺欠進(jìn)行判定。