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、比強度高、易加工成形及抗腐蝕性等特點，在各類高速船舶、鐵路車輛和工程機械中廣泛應用。但因其與氧親和力大、導熱性比碳鋼高3~4倍，導致鋁合金焊接性較差，易出現（氫）氣孔、結晶裂紋及液化裂紋等焊接缺陷。

本文針對6系、7系硬鋁、超硬鋁合金開展焊接工藝試驗，通過分析焊接過程中缺陷產生原因，選擇相匹配的焊材合金系，優化焊接工藝，形成可支撐鋁合金水管焊接生產的工藝規范。

2. 焊接試驗

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

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鋁合金力學性能優越，合金元素含量高、熱裂敏感性強，焊接過程中易形成結晶裂紋、液化裂紋及氣孔，二者主要化學成分如表1所示。

3. 缺陷分析

（1）焊接氣孔 一方面來源于焊絲、鋁合金母材在加工過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氣體的氣體流量不當，焊縫中氫主要來自空氣中的水分。保護氣體流量過小，氣流挺度差，排除周圍空氣能力弱，保護效果不佳；反之，流量過大，氣流易變成紊流，易使空氣卷入，從而降低保護效果。

焊縫氣孔的預防主要從焊接操作規范方面控制。焊前使用丙酮或酒精等有機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：一種為出現于焊縫中心或弧坑內的結晶裂紋，另一種為出現于母材熔合線或多層焊時前層焊縫熱影響區內的液化裂紋。

結晶裂紋屬于鋁合金焊接過程中典型缺陷。鋁合金焊接熔池凝固時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散來不及進行，熔合合金無法建立平衡狀態，先結晶的為高熔點組元，后結晶的低熔點組元被排擠在焊縫中心，在焊接應力作用下發生開裂，形成焊縫結晶裂紋。

液化裂紋主要取決于母材與焊材合金系的匹配。當焊縫金屬的熔點低于母材的熔點時，焊縫金屬能順沿熔合線兩側晶間的液相通道流到母材近縫區，愈合可能產生的液化裂紋，母材熔合線附近不易產生液化裂紋。反之，當焊縫金屬的熔點高于母材的熔點時，母材熔合線附近最后凝固，在焊接收縮應力作用下，易在熔合線附近出現液化裂紋。

表1 6063、7075鋁合金主要化學成分（質量分數）（%）

根據上述分析，本文重點從焊接操作規范和焊材合金系選型兩個方面開展試驗。

4. 試驗過程及結果

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

選用焊絲牌號為ER4043，f3.0mm，焊絲成分如表2所示。

（2）試驗接頭形式及焊接參數 焊接接頭分為6063-6063管管對接、6063-7075管板角接兩種，接頭形式如圖1、圖2所示，試驗過程焊接參數如表3所示。

（3）焊接工藝 焊前準備：①采用角磨機機械打磨待焊件焊縫兩側25mm區域至露出金屬光澤，打磨后用乙醇擦拭打磨區域，確保打磨區域附件無鋁屑、砂礫等異物，以免焊接過程中產生未熔合缺陷；同時蒸發表面水汽，避免焊縫附近出現氣孔缺陷。②定位焊時，采用外力約束構件，避免焊點收縮引起點焊變形。③利用焊槍預熱焊道，不填焊絲，預熱至焊道處母材表層“微熔”狀態，不熄滅電弧直接填充焊絲焊接；當室溫低于5℃時，需要利用加熱器加熱焊道兩側25mm內至90~100℃之間。

表2 ER4043焊絲成分（質量分數）（%）

焊接過程：①焊接過程中，需保證足夠的氬氣流量，避免焊縫氧化。在提升電流的同時，應適當地提高氬氣氣體流量。②確保焊絲尖端時刻處于焊槍噴嘴保護氣體范圍內，避免過熱的焊絲尖端被氧化。③再次起弧焊接時，由于焊絲尖端失去Ar氣保護已被氧化，應切除尖端5~10mm。④收弧時，采用“畫圈法”填滿弧坑，且熄弧后仍需將焊槍對準弧坑3~5s，使用殘余氣體保護正在凝固的弧坑不被氧化。

圖1 管-管對接接頭形式

圖2 管板角接接頭形式

表3 試驗過程焊接參數

（4）探傷結果 由于力學性能要求低、對接焊縫無熔透要求，采用滲透探傷檢測焊縫表面缺陷情況。角焊縫和對接焊縫檢測結構均合格，滿足JB/T4730.5—2005標準要求，探傷結果如圖3所示。

（5）力學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定試驗》標準，結合鋁合金水管實際應用工況要求，主要進行對接接頭拉伸、彎曲力學性能測試，角接接頭進行熔深觀察。

首先，力學性能測試：180°、D=57mm背彎表面無裂紋，拉伸試樣斷裂位置在母材處，抗拉強度滿足NB/T47016—2011《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢測》標準中規定，6063（T6焊）鋁合金抗拉強度最低值118MPa，本次拉伸試驗結果滿足標準要求。試樣如圖4所示、試驗結果如表4所示。

圖3 對接、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、室溫環境下腐蝕3~5min，熔池在7075母材一側，最大熔深為1.2mm，在6063母材一側最大熔深為1.5mm。結果表明，Al-5%Si焊材合金系與6063鋁合金熔合性要優于7075，兩者熔深均可滿足使用要求（見圖5）。

表4 力學性能測試結果

圖5 管板角接熔深情況

5. 結語

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

（2） 焊前焊縫區域清理、預熱，焊接過程氣體流量及連續送絲等操作規范對于預防焊接氣孔、熱裂紋等均有良好效果。

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