淺談5A03鋁合金的焊接工藝

楊玉坤

【摘 要】 鋁合金是一種應用非常廣泛的材料，因其密度小、力學性能好、耐腐蝕，因而在船舶制造、汽車、家居建材等行業應用比較廣泛。5A03鋁合金焊接過程比較復雜，很容易會出現各種焊接性問題，如變形、氣孔、夾渣、裂紋等，因而需要多加注意，以滿足使用要求。

【關鍵詞】 純鋁及鋁合金 比強度 焊接性 焊接工藝

鋁是一種輕金屬，有銀白色光澤，導電及導熱能力強，熱導率大，無磁性，密度小，比強度高，延展性好，適于拉伸加工及其他各種冷熱塑性成形。另外，其自身化學性質活潑，長時間在潮濕環境或腐蝕介質中，表面容易形成一層致密的氧化膜，即Al2O3，能有效的抵抗腐蝕。同時，鋁及其合金沒有低溫脆性，在低溫下不像鋼材一樣易脆斷。鋁最早應用到船舶上是在19世紀80年代末期，第一艘全鋁船被建造出來，1920年以后，鋁鎂合金的出現使鋁在船舶與海洋工程中開始廣泛使用?？焖俣纱?、漁船、工作艇、高速汽車渡船等高速船舶的建造中船舶設計者首選的材料就是鋁材。因此，隨著船舶業的發展，船舶用鋁材會有廣闊的市場。除船舶制造行業以外，汽車制造行業與家具建材行業同樣對鋁合金的需求比較廣泛。鋁合金材料雖然使用性能優良，但焊接過程卻很復雜，最大的難度就在與本身的化學性質太活潑，氧化后表面的氧化膜會嚴重阻礙焊接過程順利進行，繼而出現各種問題。某鋁合金制門，材料型號為5A03，板厚為10mm。正式焊接前，筆者采用了一副焊接試板來檢驗焊接工藝的可行性。試板規格為300mm×150mm×10mm 的5A03鋁合金試板，通過制定焊接工藝并實施后，利用無損檢測及力學性能試驗來評判焊接質量是達標。

1 鋁合金的焊接性分析

5A03鋁合金是防銹鋁合金的一種，屬于非熱處理強化鋁合金，主加Mg元素，其抗蝕性、壓力加工性能好，但強度較低，舊牌號為LF3。焊接試板時，采用的焊接方法為MIG焊，其母材及所用焊絲的化學成分見表1。焊接時可能出現的焊接性問題如下。

（1）焊接時產生氣孔。鋁合金焊接時，產生氣孔的類型主要是H氣孔，N氣孔及CO氣孔一般不會產生。H氣孔的產生，主要原因包括：焊接時，高溫下鋁合金對H氣體的溶解度有很大的差別，高溫時溶解度大，隨溫度的降低，其溶解度同樣隨之降低，據資料表明，高溫下的溶解度大概是凝固時的20倍左右。由于鋁的導熱性很強，焊縫金屬冷卻速度很快，在熔池階段吸收的大量的H在焊縫凝固時來不及完全析出，因而造成最終氣孔現象產生。焊接時，H的來源則主要包括：弧柱氣氛中的水分（尤其在潮濕季節或濕度大的地區）、焊接材料及母材表面的吸附水。由于鋁合金對于H氣孔很敏感，因而在焊接時要注意采取保護措施。H氣孔的其形貌如圖1所示。

（2）焊接時產生夾渣。鋁與氧的親和力很大，裸露在空氣中易形成一種致密的氧化膜，即Al2O3。氧化膜的熔點大約為2050℃，而鋁合金的熔點相對來講則會低很多。焊接過程中由于氧化膜的存在，會阻止金屬間的熔合，易產生夾渣現象，外觀的表現形式為黑色區域，周圍有細微的顆粒狀結晶物。另外，氧化膜在焊接過程中還會吸附水分，這也是促進氣孔現象產生的原因之一。夾渣現象如圖2所示。

（3）焊接時易變形。5A03鋁合金的熱導率及比熱容要比普通的鋼材大很多，并且其線膨脹系數要比鋼大兩倍，焊接過程中熱量傳遞的很快，同時焊縫收縮時，體積收縮率比較大，很容易造成局部殘余應力產生，焊后發生較大的變形。變形種類很多，最常見的有橫向收縮變形、縱向收縮變形、彎曲變形、波浪變形等。焊接角焊縫時，則比較容易在殘余應力的作用下產生撓曲變形。

（4）焊接熱裂紋。焊接鋁合金時，主要的表現形式是焊縫凝固裂紋和近縫區液化裂紋。焊接時，由于鋁合金的散熱速度快，合金中存在雜質元素過多時，易形成三元共晶物，其熔點很低，容易在焊接應力作用下促使鋁合金產生裂紋。而鋁合金的物理性能又使其本易產生較大的應力作用，因而熱裂紋現象比較明顯。

（5）焊縫根部易燒穿。鋁合金焊接時，固態與液態金屬之間無明顯的色澤變化，并且高溫下鋁合金的強度比較低，焊接時若不加注意則很容易燒穿。

2 焊接工藝的制定

根據對5A03鋁合金的焊接性特點分析，現制定了如下工藝方案：

（1）焊接方法采用半自動MIG焊，所用設備為OTC數字逆變控制脈沖MIG/MAG焊接機，焊機型號為CPDP-350，輸入電壓為3相380V，輸出電流為40～350A，頻率為50/60Hz，焊槍型號為WT3510-SCD。保護氣體為氬氣，要求氣體純度保證在99.99%，焊接坡口如圖3所示。坡口樣式采用V形，鈍邊高度為2mm，間隙為1mm，坡口角度為70°，坡口加工方法采用自動式空氣等離子切割機。

（2）焊前清理。焊絲表面采用化學方法進行清理，所用的化學溶劑為丙酮溶液與低溶度氫氧化鈉溶液及稀硝酸溶液。化學法清理時，丙酮溶液可以將焊絲表面進行脫脂處理，氫氧化鈉溶液堿洗焊絲表面可能出現的氧化膜，溶液要求提前加熱，堿洗時間為5min左右，之后再清水沖洗。稀硝酸溶液是在水洗后進行的酸洗過程，可以中和過度氧化的鋁合金焊絲，最后再水洗并干燥處理。母材表面采用機械方法進行清理，所用的器具為丙酮溶液與不銹鋼鋼絲刷，用丙酮溶液將母材進行脫脂處理后，再用不銹鋼鋼絲刷將母材坡口及坡口表面20mm范圍內刷出金屬光澤。經過焊前清理過程的焊絲及母材要保證在3h內焊接完畢，否則放置時間過長，焊絲及母材表面會重新形成氧化膜。

（3）預熱處理。由于選用的5A03鋁合金板材厚度比較大，焊前要進行預熱處理，目的是為了防止焊接變形與未焊透的產生，預熱溫度不超過90℃，加熱方式采用氧乙炔火焰。

（4）預制反變形。根據焊接殘余應力作用原理，試件裝配成水平對接并焊接完成后，兩端會發生向上的撓曲變形。因此，焊接前先將試板向上預制4～5°的反變形，這樣，焊接完成后，試件會在殘余應力的作用下變平整。預制反變形之后在進行定位焊，保證錯邊量小于3mm。

（5）在試板的兩端設置引弧板與熄弧板。引弧板與熄弧板材料與母材相同。焊接時，共采用3層焊道來焊滿整個焊縫，正面兩層，反面一層，正面焊接完畢后，反面要進行清根處理。焊接參數見表2。

3 無損檢測

根據國標相關要求，對鋁合金焊縫進行無損檢測，檢測項目為：RT100%I級、UT100%I級。經無損檢測后，發現焊縫無缺陷。

4 力學性能試驗

根據國標要求，對試樣做拉伸試驗、彎曲試驗及沖擊試驗。試驗均合格。

5 結語

鋁合金焊接時，防護設施要做到位，焊前清理工作要認真進行，保證焊接質量的問題可以比較容易做到。此次選擇的焊接工藝適合于正式焊接，選擇好相應的焊接材料后便可施焊。隨著科技的進步，焊接鋁合金工藝肯定會越來越簡易，新的焊接方法定將不斷產生，以適應工業發展的需要。

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