鋁合金高純氬MIG焊接應(yīng)用研究

黃成成?張寧寧

摘要：現(xiàn)階段，社會(huì)進(jìn)步迅速，攪拌摩擦焊（FrictionStirWelding，F(xiàn)SW）是英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種固相焊接技術(shù)。雖然FSW鋁合金焊接具有焊接質(zhì)量好、焊后變形小的特點(diǎn)，但是在焊接過(guò)程中如果參數(shù)不匹配，難免出現(xiàn)焊接缺欠，對(duì)于一些成本高、制造周期長(zhǎng)的鋁合金部件，產(chǎn)生FSW缺欠后對(duì)其進(jìn)行修復(fù)使其滿足設(shè)計(jì)使用要求，就凸顯出良好的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效益。本文主要講述鋁合金厚板（不小于6mm）FSW局部缺欠采用MIG焊接方法進(jìn)行修復(fù)。通過(guò)對(duì)缺欠的宏觀分析、MIG修復(fù)缺欠試驗(yàn)，摸索出一套工藝方法，能夠滿足在FSW焊縫上進(jìn)行MIG焊接后，焊縫性能滿足鋁合金構(gòu)件設(shè)計(jì)使用的要求，并且為這套補(bǔ)焊工藝在鋁合金車輛制造過(guò)程中的使用積累寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;高純氬MIG;焊接應(yīng)用研究

引言

6061-T6鋁合金材料具有良好的綜合性能，如重量輕、耐腐蝕、外觀平整度好等，被廣泛地應(yīng)用于制造塔式建筑、船舶、電車、鐵道車輛等行業(yè)。目前，針對(duì)這種鋁合金材料的焊接，普遍采用以Ar-He混合氣體作為保護(hù)氣體的MIG焊接工藝，熔化能力強(qiáng)，抗氣孔效果好，但是隨著He含量的增加，電弧的穩(wěn)定性越來(lái)越差，成本越來(lái)越高。首先，He的密度僅僅只有Ar的十分之一，要達(dá)到相同的保護(hù)效果，He的流量應(yīng)是Ar的3～4倍，這就大大增加了焊接成本，其次，采用純He作為保護(hù)氣體，電弧不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生飛濺，焊縫表面較粗糙。Ar是惰性氣體，既不與金屬起反應(yīng)，也不溶于液態(tài)金屬，同時(shí)能量損耗低，電弧燃燒穩(wěn)定。在MIG焊接中無(wú)飛濺或飛濺很小。由于其密度比空氣大，所以保護(hù)效果非常好。在生產(chǎn)中，鋁合金焊接時(shí)，氬氣的純度應(yīng)>99.9%，其中夾雜的氧和氫總的體積分?jǐn)?shù)<0.005%，氮總的體積分?jǐn)?shù)小于0.015%，控制在0.02mg/L以下。否則就會(huì)造成合金元素?zé)龘p，焊縫出現(xiàn)氣孔，表面無(wú)光澤、夾渣或發(fā)黑、成形不良等現(xiàn)象。此外，還會(huì)影響電弧的穩(wěn)定性，導(dǎo)電嘴回繞頻率加大，使焊絲與母材熔合不好。焊接鋁合金薄板時(shí)，主要使用純氬氣作為保護(hù)氣體，這主要是因?yàn)榧儦鍤獗Ｗo(hù)時(shí)，熱輸入量較小并且熔深淺。為了降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，本文采用高純氬作為保護(hù)氣體，對(duì)3～20mm不同厚度的6061-T6鋁合金分別進(jìn)行了MIG焊接，分別對(duì)其全熔透對(duì)接接縫、全熔透T形接縫、角焊縫等不同接頭類型以及平焊、立焊和仰焊等不同焊接位置下試件的接頭組織與性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

一、概述

攪拌摩擦焊是一種主要用于低熔點(diǎn)金屬（如鋁、鎂、銅及其合金）的新型固相焊接技術(shù)，具有優(yōu)質(zhì)、高效、綠色、小變形等優(yōu)點(diǎn)，目前已在航空航天等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，由于工藝參數(shù)偏差等因素?cái)嚢枘Σ梁负缚p也可能會(huì)產(chǎn)生一些與熔化焊缺陷不同特征的缺陷。目前，用于攪拌摩擦焊焊縫未焊透缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是渦流、滲透等表面檢測(cè)技術(shù)，而對(duì)封閉焊縫底部未焊透這些表面檢測(cè)技術(shù)并不適用。超聲相控陣作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)方法，在微小缺陷識(shí)別能力、檢測(cè)速度等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，適合于攪拌摩擦焊焊縫的無(wú)損檢測(cè)。文中以不同彎曲形態(tài)的未焊透缺陷為對(duì)象，研究對(duì)其的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，分析超聲相控陣、常規(guī)超聲波與X射線檢測(cè)對(duì)攪拌摩擦焊焊縫缺陷檢測(cè)的適用性及優(yōu)越性。

二、MIG焊接修復(fù)

（一）焊接設(shè)備

焊接設(shè)備使用SAF-FRO-DIGIPULSII420脈沖半自動(dòng)焊接電源，此電源具有良好的可操作性，并且有靈活的熱起弧和收弧功能。熱起弧采用正常焊接參數(shù)的120%左右進(jìn)行焊接。收弧功能主要應(yīng)用于焊接即將結(jié)束或收弧部分，采用正常焊接參數(shù)的75%～85%進(jìn)行焊接。并且具有這3種焊接參數(shù)要在不?；〉臓顟B(tài)下自由切換的“4”步功能。本試驗(yàn)中預(yù)設(shè)收弧電流為焊接電流的80%。

（二）焊接坡口的制備

首先根據(jù)缺欠的深度采用專用銑刀進(jìn)行銑削，清理深度以大于缺欠深度1～2mm為宜，然后進(jìn)行坡口的制備。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)FSW試件中的缺欠基本是呈線狀分布，缺欠清理后的開(kāi)口實(shí)際存在兩種坡口角度，一種是縱向的角度，一種是橫向的角度橫向開(kāi)口尺寸較小，焊接時(shí)可將兩側(cè)母材視為帶V形坡口的對(duì)接接頭，坡口角度為（35±5）°;縱向開(kāi)口兩側(cè)坡口角度分別為（55±5）°。這主要是為了保證MIG焊接的可操作性，熔化焊中焊縫的起弧和收弧處最容易出現(xiàn)焊接缺欠，縱向坡口的兩端位于MIG焊接的起弧和收弧位置，此處的焊接質(zhì)量直接關(guān)系到焊縫質(zhì)量。坡口角度的大小、坡口面和根部的過(guò)渡狀態(tài)直接關(guān)系到MIG焊接質(zhì)量的好壞，角度越小，坡口面就越短，和焊道根部的過(guò)渡狀態(tài)越尖銳，在坡口面上焊接時(shí)產(chǎn)生立向下焊（PG位置）的傾向就越大，這種焊接位置極易造成未熔合的焊接缺欠，在鋁合金熔化焊接中應(yīng)該盡量避免使用立向下焊位置焊接。所以縱向開(kāi)口兩側(cè)坡口角度適當(dāng)增大是有利的。為了找出最合理的坡口角度，分別對(duì)坡口角度50°、55°、60°3種狀態(tài)進(jìn)行了MIG焊接試驗(yàn)。

（三）MIG焊前母材及坡口的清理

首先使用PT檢測(cè)的方法對(duì)坡口根部進(jìn)行FSW缺欠的確認(rèn)，確認(rèn)不存在缺欠后再對(duì)焊道面和母材表面進(jìn)行清理。將其兩側(cè)50mm范圍的表面使用專用的鋁合金清洗液進(jìn)行去污處理，使用不銹鋼碗刷將焊道兩側(cè)20mm范圍內(nèi)清理出金屬光澤，確認(rèn)焊道兩側(cè)無(wú)異常后可進(jìn)行下步的焊接。由于焊接缺欠是內(nèi)部缺欠，且有一定的深度，所以焊接方式采用堆焊，堆焊的層數(shù)視缺欠的深度決定。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)多層多道焊中只有作為打底焊的第1道焊縫參數(shù)和填充層焊縫的參數(shù)區(qū)別較大，所以制定焊接參數(shù)時(shí)只要確定第1道打底焊和開(kāi)始填充的第2道焊縫參數(shù)即可，作為后續(xù)堆焊層可用第2道焊縫相同的焊接參數(shù)就可滿足要求。

三、攪拌摩擦焊未焊透缺陷的常規(guī)超聲波和X射線檢測(cè)

超聲波C掃描是利用超聲波探傷原理提取垂直于聲束指定截面的回波信息而形成二維圖像的技術(shù)，可以直觀地顯示缺陷的水平投影位置。將超聲波C掃的圖像按指定波形振幅以紅、橙、黃、黑等8種顏色進(jìn)行顯示，其中黑色表示超聲波信號(hào)遇到不同材料的界面（如缺陷），此時(shí)信號(hào)會(huì)部分反射及穿透，導(dǎo)致其回波強(qiáng)度較弱。試樣A只在攪拌摩擦焊焊縫的匙孔、魚(yú)鱗紋以及兩側(cè)飛邊的位置呈現(xiàn)黑色圖案，并未檢測(cè)出焊接缺陷;試樣B和試樣C的超聲波C掃圖像除在上述位置有黑色填充外，在焊縫處（試樣B的前半段、試樣C的幾乎整段）還出現(xiàn)黑色線條，根據(jù)焊接缺陷的位置、圖像的連續(xù)性以及形狀可判斷為未焊透缺陷由此可看到，攪拌摩擦焊未焊透缺陷的超聲波C掃檢出率與缺陷的彎曲形態(tài)有關(guān)，彎曲程度越大的未焊透由于受塑化金屬作用更大，其界面結(jié)合較緊密，結(jié)果檢測(cè)回波信號(hào)反饋較弱，檢出率較低。3種試樣均可看到與周邊存在一定色差的黑色線條，其中試樣A的黑色線條較淡，很容易被忽視，且根據(jù)其位置、連續(xù)性及形狀無(wú)法判斷是否為未焊透缺陷;試樣B黑色線條相對(duì)更明顯，但也僅在局部才顯示，可以判斷其可能為未焊透;而試樣C存在明顯的黑色線條，呈連續(xù)的分布，很容易判別為未焊透缺陷。因此，攪拌摩擦焊未焊透缺陷的X射線檢出率也與缺陷的彎曲形態(tài)有關(guān)。根據(jù)X射線的檢測(cè)原理，試樣中存在有焊接缺陷時(shí)吸收和透過(guò)的X射線能量不一樣，結(jié)果在檢測(cè)圖像中將缺陷以色差的形式顯示出。當(dāng)斜面角減小時(shí)，未焊透缺陷界面的彎曲程度增大，也更偏離豎直方向，X射線垂直穿透下來(lái)，相當(dāng)于所經(jīng)過(guò)區(qū)域的缺陷變小，反映在檢測(cè)圖像中與正常試樣的色差變?nèi)?，試樣C的未焊透大部分接近豎直，在X射線檢測(cè)圖像上才表現(xiàn)出明顯的色差，有較高的檢出率。

結(jié)語(yǔ)

使用高純氬MIG焊接，焊縫宏觀表面熔合良好，焊縫平整。焊縫中未見(jiàn)裂紋、夾雜、未熔合等缺陷。經(jīng)X射線檢測(cè)，達(dá)到ISO10042標(biāo)準(zhǔn)中B級(jí)要求，符合合格標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.