超硬鋁合金水管焊接工藝研究

呂金波 周燕妮 孟憲飛

1. 概述

鋁合金具有比重小、比強(qiáng)度高、易加工成形及抗腐蝕性等特點(diǎn)，在各類(lèi)高速船舶、鐵路車(chē)輛和工程機(jī)械中廣泛應(yīng)用。但因其與氧親和力大、導(dǎo)熱性比碳鋼高3~4倍，導(dǎo)致鋁合金焊接性較差，易出現(xiàn)（氫）氣孔、結(jié)晶裂紋及液化裂紋等焊接缺陷。

本文針對(duì)6系、7系硬鋁、超硬鋁合金開(kāi)展焊接工藝試驗(yàn)，通過(guò)分析焊接過(guò)程中缺陷產(chǎn)生原因，選擇相匹配的焊材合金系，優(yōu)化焊接工藝，形成可支撐鋁合金水管焊接生產(chǎn)的工藝規(guī)范。

2. 焊接試驗(yàn)

本文主要針對(duì)6系（6063）鋁合金水管之間的管管對(duì)接、6系（6063）鋁合金水管與7系（7075）鋁合金法蘭盤(pán)之間的管板角接開(kāi)展試驗(yàn)。

6063鋁合金具有良好的抗腐蝕性及加工成形性，既可用于擠出水管型材，又適用于鍛造加工；7075鋁合金力學(xué)性能優(yōu)越，合金元素含量高、熱裂敏感性強(qiáng)，焊接過(guò)程中易形成結(jié)晶裂紋、液化裂紋及氣孔，二者主要化學(xué)成分如表1所示。

3. 缺陷分析

（1）焊接氣孔 一方面來(lái)源于焊絲、鋁合金母材在加工過(guò)程粘附于表面的油脂等含氫的污染物，或其表面氧化膜中吸附的潮氣和水分；另一方面主要為惰性保護(hù)氣體的氣體流量不當(dāng)，焊縫中氫主要來(lái)自空氣中的水分。保護(hù)氣體流量過(guò)小，氣流挺度差，排除周?chē)諝饽芰θ酰Ｗo(hù)效果不佳；反之，流量過(guò)大，氣流易變成紊流，易使空氣卷入，從而降低保護(hù)效果。

焊縫氣孔的預(yù)防主要從焊接操作規(guī)范方面控制。焊前使用丙酮或酒精等有機(jī)溶劑擦拭焊縫表面油污，然后再使用不銹鋼絲刷清理焊縫表面氧化皮，并選用適中氣體流量。

（2）熱裂紋 母材確定后，焊接接頭熱裂紋的出現(xiàn)主要取決于焊絲的選配。鋁合金焊接熱裂紋有兩種特征：一種為出現(xiàn)于焊縫中心或弧坑內(nèi)的結(jié)晶裂紋，另一種為出現(xiàn)于母材熔合線(xiàn)或多層焊時(shí)前層焊縫熱影響區(qū)內(nèi)的液化裂紋。

結(jié)晶裂紋屬于鋁合金焊接過(guò)程中典型缺陷。鋁合金焊接熔池凝固時(shí)為二元或多元共晶合金，由于熔池加熱和冷卻速度快，固相和液相之間的擴(kuò)散來(lái)不及進(jìn)行，熔合合金無(wú)法建立平衡狀態(tài)，先結(jié)晶的為高熔點(diǎn)組元，后結(jié)晶的低熔點(diǎn)組元被排擠在焊縫中心，在焊接應(yīng)力作用下發(fā)生開(kāi)裂，形成焊縫結(jié)晶裂紋。

液化裂紋主要取決于母材與焊材合金系的匹配。當(dāng)焊縫金屬的熔點(diǎn)低于母材的熔點(diǎn)時(shí)，焊縫金屬能順沿熔合線(xiàn)兩側(cè)晶間的液相通道流到母材近縫區(qū)，愈合可能產(chǎn)生的液化裂紋，母材熔合線(xiàn)附近不易產(chǎn)生液化裂紋。反之，當(dāng)焊縫金屬的熔點(diǎn)高于母材的熔點(diǎn)時(shí)，母材熔合線(xiàn)附近最后凝固，在焊接收縮應(yīng)力作用下，易在熔合線(xiàn)附近出現(xiàn)液化裂紋。

表1 6063、7075鋁合金主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

根據(jù)上述分析，本文重點(diǎn)從焊接操作規(guī)范和焊材合金系選型兩個(gè)方面開(kāi)展試驗(yàn)。

4. 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

（1）焊材合金系的選擇 由于本文研究的鋁合金水管對(duì)密封性能要求高，而對(duì)于力學(xué)性能要求低（內(nèi)部承壓≥6MPa即可），為此本文選擇抗焊接裂紋性能優(yōu)越的Al-5%Si合金系焊絲作為本次試驗(yàn)用焊接材料。Al-5%Si焊絲的液態(tài)金屬流動(dòng)性好，特別是凝固時(shí)收縮率小，因而有優(yōu)良的抗焊接裂紋性能，但焊縫強(qiáng)度較低，適用于鍛鋁、硬鋁及超硬鋁合金的焊接，焊絲中加入少量鈦，可以起到變質(zhì)作用，細(xì)化焊縫晶粒。

選用焊絲牌號(hào)為ER4043，f3.0mm，焊絲成分如表2所示。

（2）試驗(yàn)接頭形式及焊接參數(shù) 焊接接頭分為6063-6063管管對(duì)接、6063-7075管板角接兩種，接頭形式如圖1、圖2所示，試驗(yàn)過(guò)程焊接參數(shù)如表3所示。

（3）焊接工藝 焊前準(zhǔn)備：①采用角磨機(jī)機(jī)械打磨待焊件焊縫兩側(cè)25mm區(qū)域至露出金屬光澤，打磨后用乙醇擦拭打磨區(qū)域，確保打磨區(qū)域附件無(wú)鋁屑、砂礫等異物，以免焊接過(guò)程中產(chǎn)生未熔合缺陷；同時(shí)蒸發(fā)表面水汽，避免焊縫附近出現(xiàn)氣孔缺陷。②定位焊時(shí)，采用外力約束構(gòu)件，避免焊點(diǎn)收縮引起點(diǎn)焊變形。③利用焊槍預(yù)熱焊道，不填焊絲，預(yù)熱至焊道處母材表層“微熔”狀態(tài)，不熄滅電弧直接填充焊絲焊接；當(dāng)室溫低于5℃時(shí)，需要利用加熱器加熱焊道兩側(cè)25mm內(nèi)至90~100℃之間。

表2 ER4043焊絲成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

焊接過(guò)程：①焊接過(guò)程中，需保證足夠的氬氣流量，避免焊縫氧化。在提升電流的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣邭鍤鈿怏w流量。②確保焊絲尖端時(shí)刻處于焊槍噴嘴保護(hù)氣體范圍內(nèi)，避免過(guò)熱的焊絲尖端被氧化。③再次起弧焊接時(shí)，由于焊絲尖端失去Ar氣保護(hù)已被氧化，應(yīng)切除尖端5~10mm。④收弧時(shí)，采用“畫(huà)圈法”填滿(mǎn)弧坑，且熄弧后仍需將焊槍對(duì)準(zhǔn)弧坑3~5s，使用殘余氣體保護(hù)正在凝固的弧坑不被氧化。

圖1 管-管對(duì)接接頭形式

圖2 管板角接接頭形式

表3 試驗(yàn)過(guò)程焊接參數(shù)

（4）探傷結(jié)果 由于力學(xué)性能要求低、對(duì)接焊縫無(wú)熔透要求，采用滲透探傷檢測(cè)焊縫表面缺陷情況。角焊縫和對(duì)接焊縫檢測(cè)結(jié)構(gòu)均合格，滿(mǎn)足JB/T4730.5—2005標(biāo)準(zhǔn)要求，探傷結(jié)果如圖3所示。

（5）力學(xué)性能及宏觀熔深觀察 按照GB/T 19869.2—2012《鋁及鋁合金的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合鋁合金水管實(shí)際應(yīng)用工況要求，主要進(jìn)行對(duì)接接頭拉伸、彎曲力學(xué)性能測(cè)試，角接接頭進(jìn)行熔深觀察。

首先，力學(xué)性能測(cè)試：180°、D=57mm背彎表面無(wú)裂紋，拉伸試樣斷裂位置在母材處，抗拉強(qiáng)度滿(mǎn)足NB/T47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，6063（T6焊）鋁合金抗拉強(qiáng)度最低值118MPa，本次拉伸試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。試樣如圖4所示、試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖3 對(duì)接、角接焊縫探傷合格

圖4 彎曲、拉伸試樣

其次，角接焊縫宏觀熔深觀察：采用5%NaOH水溶液、室溫環(huán)境下腐蝕3~5min，熔池在7075母材一側(cè)，最大熔深為1.2mm，在6063母材一側(cè)最大熔深為1.5mm。結(jié)果表明，Al-5%Si焊材合金系與6063鋁合金熔合性要優(yōu)于7075，兩者熔深均可滿(mǎn)足使用要求（見(jiàn)圖5）。

表4 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖5 管板角接熔深情況

5. 結(jié)語(yǔ)

（1） 選用Al-5%Si合金系焊材可滿(mǎn)足6系、7系硬鋁、超硬鋁合金水管的焊接。

（2） 焊前焊縫區(qū)域清理、預(yù)熱，焊接過(guò)程氣體流量及連續(xù)送絲等操作規(guī)范對(duì)于預(yù)防焊接氣孔、熱裂紋等均有良好效果。

（3） 焊后力學(xué)性能及熔深觀察結(jié)果表明，ER4043焊絲可以滿(mǎn)足鋁合金水管的焊接要求。