某發(fā)射集裝箱5A06鋁合金T I G焊接工藝研究

趙喜磊，王 勇，李翔宇

（鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州450015）

0 前言

5A06鋁合金屬于變形鋁合金中的一類，它是不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，為Al-Mg系防銹鋁，5A06鋁合金具有較高的強(qiáng)度和腐蝕穩(wěn)定性，在退火和擠壓狀態(tài)下塑性尚好，焊接性能良好，易達(dá)到高強(qiáng)度的焊接接頭，可切削性能良好。因此5A06鋁合金在船舶領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛[1]。5A06鋁合金焊接方式有多種，但采用鎢極氬弧焊（tungsten inert gas welding，TIG），由于設(shè)備成本比較低，易于操作等特點(diǎn)，目前在生產(chǎn)制造中仍在廣泛應(yīng)用并居主流地位[2]。

某發(fā)射集裝箱主要由金屬骨架及復(fù)合材料包覆而成，其金屬骨架為5A06材料機(jī)加及焊接成型，該產(chǎn)品力學(xué)性能指標(biāo)高，且對(duì)焊縫質(zhì)量要求高：對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度不低于300 MPa，焊接接頭等級(jí)達(dá)到國(guó)軍標(biāo)（GJB294A-2005）中規(guī)定Ⅱ級(jí)接頭標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所有焊件進(jìn)行射線探傷，焊縫向母材光滑過(guò)渡，無(wú)明顯咬邊及過(guò)多余高，焊縫各層之間應(yīng)完全融合，不應(yīng)有裂紋、未焊透、未融合。因此本研究就產(chǎn)品焊縫接頭新式，采用TIG焊接，研究了焊接工藝參數(shù)及其焊接接頭性能，為生產(chǎn)提供了可靠的理論依據(jù)。

1 焊接試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采購(gòu)某廠生產(chǎn)的5A06鋁合金作為母材，并采用TIG焊接對(duì)角接頭試件母板300 mm×100 mm×15 mm，腹板300 mm×70 mm×6 mm；對(duì)接接頭兩塊300 mm×100 mm×18/15 mm。母材化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

表1 母材化學(xué)成分

表2 母材的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

焊接試件分別進(jìn)行雙V型對(duì)接接頭和角接接頭單面角焊縫模擬試件。焊前將試樣依次進(jìn)行除油（超聲波清洗，溫度40℃ ～60℃，時(shí)間5～7 min），除氧化膜（堿洗：5%～10%NaOH溶液，50℃～70℃，浸泡5 min～7 min；水洗：流動(dòng)清水沖洗1 min～2 min；酸洗：30%HNO3水溶液，室溫，浸泡 3 min ～ 5 min；水洗：流動(dòng)冷水沖洗+熱水沖洗），預(yù)熱（在烤箱中加熱至80℃～100℃，保持1 h），丙酮擦拭（焊縫及焊縫邊緣50 mm以內(nèi)的范圍擦拭），加熱烘烤（使用乙炔氧火焰烘烤坡口處1 min～2 min，同時(shí)使用紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)溫度不超過(guò)120±30℃），打磨（用不銹鋼鋼絲刷打磨后方可進(jìn)行焊接）。焊接環(huán)境要求相對(duì)封閉車間并配備換氣除煙設(shè)備、溫度不低于15℃、濕度不超過(guò)50%。并進(jìn)行焊后退火去應(yīng)力（退火溫度為150～180℃，保溫120～150 min，隨爐冷卻）。

試驗(yàn)采用伊薩TIG4300i焊機(jī)進(jìn)行焊接。主要從優(yōu)化工藝參數(shù)方面來(lái)消除焊縫內(nèi)部氣孔，以達(dá)到改善焊縫質(zhì)量。試樣一工藝參數(shù)為：直徑3 mm焊絲AlMg5、電流260～300 A、氣流量10～15 L/min。試樣二工藝參數(shù)為：直徑3 mm焊絲AlMg6、電流200～240 A、氣流量 24～30 L/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接接頭質(zhì)量檢測(cè)

分別對(duì)工藝一和工藝二的焊接試樣進(jìn)行檢測(cè)。如圖1焊接式樣圖。

圖1 焊接試樣圖

（1）焊縫外觀檢查

兩工藝的焊接試樣外觀均無(wú)明顯缺陷，試板整體形貌方面，焊縫周圍受焊接熱影響發(fā)生部分形變彎曲。

（2）焊縫的X射線檢測(cè)

采用X射線分別對(duì)兩種工藝的焊接試樣進(jìn)行探傷，工藝一的焊縫區(qū)域出現(xiàn)焊接氣孔，工藝二焊縫區(qū)內(nèi)部無(wú)裂紋、未焊透、未融合、氣孔等焊接缺陷（圖2工藝一焊接射線圖和圖3工藝二焊接射線圖）。針對(duì)工藝一焊縫中氣孔出現(xiàn)的原因可能包括以下幾個(gè)方面。

圖2 工藝一焊接射線圖

圖3 工藝二焊接射線圖

1）母材及焊絲表面殘留的氧化物會(huì)吸收空氣中的水分，水分在高溫下分解出氫氣殘留于焊縫形成氫氣孔。

2）保護(hù)氣體不當(dāng)，使空氣進(jìn)入熔池，并殘存下來(lái)成為氣孔。

3）焊縫中低熔點(diǎn)高蒸氣壓的Mg和Zn等元素的蒸發(fā)形成氣泡，氣泡來(lái)不及溢出二形成氣孔[3]。

（3）顯微組織分析

接頭主要分為焊縫、熱影響區(qū)和母材3個(gè)部分金屬顯微組織。兩種工藝的焊縫及其熱影響區(qū)在冷卻時(shí)晶界上均有析出相產(chǎn)生（圖4顯微組織圖），且由于焊接加熱過(guò)程中熱作用的影響，焊接熱影響區(qū)組織比較粗大，并且晶粒大小不均勻。

圖4 顯微組織圖

2.2 對(duì)接接頭的力學(xué)性能分析

兩種工藝強(qiáng)度對(duì)比如表3所示。

表3 對(duì)接接頭力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，焊接工藝二的拉伸強(qiáng)度高于焊接工藝一焊接的接頭。其中工藝一的對(duì)接接頭平均抗拉強(qiáng)度只達(dá)到265 MPa不滿足指標(biāo)要求，延伸率達(dá)到8.5%，并且彎曲試驗(yàn)正彎和側(cè)彎試驗(yàn)在焊縫處斷裂，根部有大面積未焊透和大量的氣孔；工藝二的對(duì)接接頭平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到336 MPa滿足指標(biāo)要求，延伸率達(dá)到14.3%，正彎、側(cè)彎試件均合格，未出現(xiàn)裂紋。如圖5測(cè)試結(jié)果圖。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖5 測(cè)試結(jié)果圖

2.3 角接頭的檢測(cè)結(jié)果

工藝一角接頭試件：角焊縫沿焊縫長(zhǎng)度折斷時(shí)，用放大鏡目視觀測(cè)斷面，斷口表面有裂紋、氣孔、氣渣現(xiàn)象，不符合GJB294A中規(guī)定Ⅱ級(jí)接頭標(biāo)準(zhǔn)。

工藝二角接頭試件：角焊縫沿焊縫長(zhǎng)度折斷時(shí)，用放大鏡目視觀測(cè)斷面，斷口表面無(wú)裂紋、未融合、明顯的氣孔和夾渣，符合GJB294A中規(guī)定Ⅱ級(jí)接頭標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

（1）在環(huán)境參數(shù)不變的情況下，采用焊接工藝參數(shù)（直徑3 mm焊絲AlMg6、電流200～240 A、氣流量24～30 L/min）焊接的整批產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)X射線探傷，焊縫內(nèi)部無(wú)裂紋、夾渣、無(wú)氣孔等焊接缺陷，其焊縫外觀、內(nèi)部質(zhì)量均滿足產(chǎn)品的使用要求。

（2）拉伸測(cè)試時(shí)，接頭均斷裂于焊縫處，斷口形貌為韌性斷裂。焊縫中存在的宏觀氣孔減小了焊縫拉伸測(cè)試時(shí)的受力面積，導(dǎo)致接頭斷裂于焊縫處。