某發射集裝箱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，它是不可熱處理強化的鋁合金，為Al-Mg系防銹鋁，5A06鋁合金具有較高的強度和腐蝕穩定性，在退火和擠壓狀態下塑性尚好，焊接性能良好，易達到高強度的焊接接頭，可切削性能良好。因此5A06鋁合金在船舶領域中應用十分廣泛[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），由于設備成本比較低，易于操作等特點，目前在生產制造中仍在廣泛應用并居主流地位[2]。

某發射集裝箱主要由金屬骨架及復合材料包覆而成，其金屬骨架為5A06材料機加及焊接成型，該產品力學性能指標高，且對焊縫質量要求高：對接接頭的抗拉強度不低于300 MPa，焊接接頭等級達到國軍標（GJB294A-2005）中規定Ⅱ級接頭標準，對所有焊件進行射線探傷，焊縫向母材光滑過渡，無明顯咬邊及過多余高，焊縫各層之間應完全融合，不應有裂紋、未焊透、未融合。因此本研究就產品焊縫接頭新式，采用TIG焊接，研究了焊接工藝參數及其焊接接頭性能，為生產提供了可靠的理論依據。

1 焊接試驗

1.1 試驗材料

采購某廠生產的5A06鋁合金作為母材，并采用TIG焊接對角接頭試件母板300 mm×100 mm×15 mm，腹板300 mm×70 mm×6 mm；對接接頭兩塊300 mm×100 mm×18/15 mm。母材化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 母材化學成分

表2 母材的力學性能

1.2 試驗方法

焊接試件分別進行雙V型對接接頭和角接接頭單面角焊縫模擬試件。焊前將試樣依次進行除油（超聲波清洗，溫度40℃ ～60℃，時間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：流動冷水沖洗+熱水沖洗），預熱（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，同時使用紅外測溫儀監測溫度不超過120±30℃），打磨（用不銹鋼鋼絲刷打磨后方可進行焊接）。焊接環境要求相對封閉車間并配備換氣除煙設備、溫度不低于15℃、濕度不超過50%。并進行焊后退火去應力（退火溫度為150～180℃，保溫120～150 min，隨爐冷卻）。

試驗采用伊薩TIG4300i焊機進行焊接。主要從優化工藝參數方面來消除焊縫內部氣孔，以達到改善焊縫質量。試樣一工藝參數為：直徑3 mm焊絲AlMg5、電流260～300 A、氣流量10～15 L/min。試樣二工藝參數為：直徑3 mm焊絲AlMg6、電流200～240 A、氣流量 24～30 L/min。

2 試驗結果及討論

2.1 焊接接頭質量檢測

分別對工藝一和工藝二的焊接試樣進行檢測。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明顯缺陷，試板整體形貌方面，焊縫周圍受焊接熱影響發生部分形變彎曲。

（2）焊縫的X射線檢測

采用X射線分別對兩種工藝的焊接試樣進行探傷，工藝一的焊縫區域出現焊接氣孔，工藝二焊縫區內部無裂紋、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）。針對工藝一焊縫中氣孔出現的原因可能包括以下幾個方面。

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）保護氣體不當，使空氣進入熔池，并殘存下來成為氣孔。

3）焊縫中低熔點高蒸氣壓的Mg和Zn等元素的蒸發形成氣泡，氣泡來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、熱影響區和母材3個部分金屬顯微組織。兩種工藝的焊縫及其熱影響區在冷卻時晶界上均有析出相產生（圖4顯微組織圖），且由于焊接加熱過程中熱作用的影響，焊接熱影響區組織比較粗大，并且晶粒大小不均勻。

圖4 顯微組織圖

2.2 對接接頭的力學性能分析

兩種工藝強度對比如表3所示。

表3 對接接頭力學性能檢測結果

根據拉伸試驗結果可知，焊接工藝二的拉伸強度高于焊接工藝一焊接的接頭。其中工藝一的對接接頭平均抗拉強度只達到265 MPa不滿足指標要求，延伸率達到8.5%，并且彎曲試驗正彎和側彎試驗在焊縫處斷裂，根部有大面積未焊透和大量的氣孔；工藝二的對接接頭平均抗拉強度達到336 MPa滿足指標要求，延伸率達到14.3%，正彎、側彎試件均合格，未出現裂紋。如圖5測試結果圖。

（續下圖）

（接上圖）

圖5 測試結果圖

2.3 角接頭的檢測結果

工藝一角接頭試件：角焊縫沿焊縫長度折斷時，用放大鏡目視觀測斷面，斷口表面有裂紋、氣孔、氣渣現象，不符合GJB294A中規定Ⅱ級接頭標準。

工藝二角接頭試件：角焊縫沿焊縫長度折斷時，用放大鏡目視觀測斷面，斷口表面無裂紋、未融合、明顯的氣孔和夾渣，符合GJB294A中規定Ⅱ級接頭標準。

3 結論

（1）在環境參數不變的情況下，采用焊接工藝參數（直徑3 mm焊絲AlMg6、電流200～240 A、氣流量24～30 L/min）焊接的整批產品，經過X射線探傷，焊縫內部無裂紋、夾渣、無氣孔等焊接缺陷，其焊縫外觀、內部質量均滿足產品的使用要求。

（2）拉伸測試時，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試時的受力面積，導致接頭斷裂于焊縫處。