5A06鋁合金VPPA/TIG復合焊接頭組織與性能研究

崔衛則，李 青，謝新義，秦永強，張立強，李韶華

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046012)

0 引言

近年來，隨著航空航天等行業的快速發展，對輕金屬高質量和高效率的焊接方法提出了更高的要求。5A06鋁合金由于其化學性質活潑、熱導率高及線膨脹系數較大等特點，在普通單電弧焊接過程中容易產生氣孔及裂紋等缺陷。與普通單電弧焊接相比，復合焊接技術能夠有效地提升焊接質量和效率。VPPA/TIG復合焊接技術一直是焊接領域的研究熱點，該項技術充分利用變極性等離子弧焊和TIG焊的優勢，將兩個熱源復合后可以優勢互補，形成高質高效的復合熱源[1]。變極性等離子弧(Variable Polarity Plasma Arc，VPPA)焊接技術是一種針對鋁合金焊接而開發的技術，其電流波形是正負極性交替的方波，正極性階段時，等離子弧的高能量輸入可以確保焊縫的質量，而反極性階段高效清除鋁合金表面的氧化膜，從而提高了焊縫的質量[2]。TIG焊接方法電弧穩定，具有良好的焊縫蓋面能力。李國偉等[3]研究了7075鋁合金變極性等離子弧焊接，張勤練等[4]研究了2A14鋁合金變極性等離子弧橫向焊接工藝，孔祥峰等[5]研究了2219鋁合金進行攪拌摩擦與變極性等離子交叉焊。本文采用VPPA/TIG復合焊方法，對5A06鋁合金進行了焊接，并分析焊縫組織及其對力學性能的影響，對實際焊接生產具有指導意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

母材選用25 mm厚5A06-H112鋁合金，其主要化學成分見表1(國家標準GB/T3190—2008《變形鋁及鋁合金化學成分》)，室溫力學性能見表2(國家標準GB/T3880.2—2012《一般工業用鋁及鋁合金板、帶材第2部分：力學性能》)。VPPA焊填充焊絲采用Φ1.6 mm的5A06光亮焊絲，TIG焊填充焊絲采用Φ4 mm的5A06光亮焊絲。

1.2 焊接工藝規范

焊接試板正面未開坡口側采用VPPA焊，背面開坡口側采用多層多道自動TIG焊，試板坡口形式見圖1。

表1 5A06-H112鋁合金化學成分(質量分數) %

表2 5A06-H112室溫力學性能

圖1 試板坡口形式

目前國內外的變極性等離子焊接正反極性時間比通常選定在19∶4，使用經驗表明：5A06鋁合金正反極性時間比通常選定在19∶3。鎢極直徑、內縮量均為4 mm。噴嘴孔徑選用4 mm，噴嘴高度為4 mm。起弧后先采用100 A的預熱電流進行預熱，具體工藝參數見表3。

焊接前利用角磨機打磨母材表面的氧化膜，并用丙酮去除母材上的水分和油污。層間溫度控制在70 ℃左右。在保證焊透的前提下減小焊接熱輸入，從而減少接頭變形量。

1.3 試驗方法

焊后采用數控車床車成拉伸試樣，沿垂直于焊縫方向取小塊試樣，磨制成金相試樣，然后在5 mL HF+25 mL HNO3+75 mL HCl混合溶液中腐蝕3 min左右，使用金相顯微鏡觀察焊接接頭顯微組織。接著，對焊縫進行X射線探傷。最后，在電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫質量及形貌

在VPPA/TIG復合焊焊接工藝中，VPPA焊接技術的最大工藝特點是焊接過程的熔池中存在小孔，可以有效地排除熔池內的氣孔和夾雜，焊縫具有較高的質量。圖2、圖3分別為VPPA焊側焊縫和TIG焊側焊縫。從圖2可以看出，正面VPPA焊焊縫成形良好，光亮平整，無魚鱗波紋，焊縫寬度大約在10 mm左右，焊縫無焊瘤、未熔合、塌陷等表面缺陷。從圖3可以看出，背面自動TIG焊縫表面具有細密的魚鱗紋，而且寬度在5 mm左右。

表3 焊接工藝參數

圖2 VPPA焊側焊縫 圖3 TIG焊側焊縫

2.2 焊縫顯微組織特征

圖4為焊接接頭宏觀形貌，從圖中可以明顯看出界限分明的焊縫區及母材區。圖5為母材及焊縫區顯微組織。由圖5(a)可知，由于母材不受焊接熱循環影響，不存在組織上的轉變，仍保持原始軋制態纖維狀，組織為α(Al)和少量析出強化相。圖5(b)和圖5(c)為焊縫區顯微組織，主要由白色的α(Al)固溶體基體以及在α(Al)基體上分布著的細小、黑色的金屬間化合物β(Mg2Al3)相等組成。

圖4 焊接接頭宏觀形貌

從圖5(b)和圖5(c)可看出，VPPA焊焊縫區組織與TIG焊焊縫區組織特點有所不同。由圖5(b)可知，VPPA焊焊縫區顯微組織基本呈現不規則的等軸非枝晶結構，而且晶界之間存在一定量析出的第二相顆粒。顯微組織研究表明：相對于母材組織，焊縫區組織經過熱處理作用，晶粒長大，分界面參差不齊，組織分布不勻;焊縫區析出相增多，呈線狀或者帶狀，這是因為如果Mg元素不能完全固溶于Al中，在300 ℃～450 ℃時，由于元素偏析，會產生Mg2Al3第二相粒子，它們彌散在基體金屬中。從圖5(c)可知，隨著焊接熱輸入的增加，TIG焊焊縫的顯微組織比較粗大，并且晶粒大小不均勻，焊縫區析出的形貌呈圓片狀，第二相β(Mg2Al3)相數量明顯增加，且β相形成細小均勻、彌散分布的粒狀組織。

2.3 焊縫X射線檢測

對焊縫按NB/T47013.2—2015《承壓設備無損檢測第2部分：射線檢測》進行X射線無損檢測，結果表明，焊縫處未發現氣孔、夾雜、未焊透、熔合等缺陷。焊縫質量滿足QJ176B—2016《地面設備熔焊技術條件》中Ⅰ級要求。

圖5 母材及焊縫區顯微組織

由于采用立焊的工藝，變極性等離子弧強烈的穿孔沖刷效應和復雜的熔池金屬流動，有效地消除了氣孔和固體雜質。因此對氣孔非常敏感的5A06鋁合金當采用變極性等離子弧焊工藝時，焊縫裂紋氣孔等缺陷發生率非常低，焊縫質量優良。

2.4 焊縫拉伸力學性能測試

焊后取試樣進行拉伸試驗，如圖6、圖7所示。由圖7可知，斷裂位置均出現在母材。

圖6 拉伸試樣制取 圖7 拉伸試驗斷裂

拉伸試驗結果如表4所示。焊縫強度超過母材強度，說明該VPPA/TIG復合焊方法能夠有效保證厚板5A06的焊縫質量。

3 結論

(1) 焊縫顯微組織分析表明：VPPA焊焊縫區組織晶粒長大，分界面參差不齊，組織分布不勻，析出相明顯增多，呈線狀或者帶狀；TIG焊焊縫區析出相增加，呈圓片狀且細小均勻、彌散分布。

(2) X射線無損檢測結果表明：焊縫處未發現氣孔、夾雜、未焊透、熔合等缺陷。焊縫質量滿足Ⅰ級要求。

(3) 拉伸試驗結果表明：斷裂位置均出現在母材，焊縫處強度優于母材。

表4 5A06焊接接頭室溫力學性能測量值