ICP-AES 光譜法判斷5A03 焊絲和2A10 鋁絲混料的方法

吳 旻 ， 王巧利 ， 朱 凱 ， 朱 麗 ， 閆廣利

（1.成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610092；2.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

對于航空產品中常用的防銹導管，如5A02 導管、3A21 導管等，焊接時，按照HB/Z 119—2011[1]的要求，對應不同的母材應選用相應的焊絲進行連接填充。如：針對防銹鋁5A02 導管，應選用5A03焊絲；針對5A02、3A21 導管相連，應選用5A03 焊絲等。但在生產現場因同規格的5A03 焊絲和2A10 鋁絲在外觀上目視很難區分，曾出現將5A03 焊絲和2A10 鋁絲混用，錯焊5A02 鋁合金導管的情況，導致產品零件后續加工和使用中的焊接部位開裂，危害很大。為加強質量控制，杜絕錯混料焊接導管流入下一道工序，除了在源頭上加強對焊絲的標識和管理外，還需要研究出一種方法可以檢查出已經焊接的零件中有無此種錯混料情況發生。

關于現場零件焊接部位的質量檢查[2-4]，焊接缺陷可以用射線檢測、超聲檢測等方法[5-7]檢查，對于焊縫化學成分的檢查，在開放空間可以采用多種手段，如用手持式X 射線熒光光譜儀和化學反應顯色法等；但對于封閉區和半封閉區零件的排查，因可供操作的空間較小，目前檢測技術手段缺乏。為彌補這一缺失，研究一種定量檢測的方法，可以區分焊接部位有無錯混料及錯混料的程度，挑選出有問題的零件。

本研究模擬5A03 焊絲和2A10 鋁絲混用的多種錯混焊點情況，研究在不拆卸零件的情況下，根據零件焊接工藝質量檢驗的要求，在保證焊縫余高的情況下，以不損傷零件為前提，制定對零件的焊縫背面，也就是導管的內腔焊縫進行原位打磨粉末，采用ICP-AES 光譜分析粉末中特征元素Cu元素的質量分數，來判斷焊縫中是否混入2A10 鋁絲，以及混入量為多少的檢查方法[8-9]。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICPAES）；鹽酸，密度約為1.19 g/mL，1+1；硝酸，密度約為1.40 g/mL，1+1；過氧化氫，密度約為1.10 g/mL；氬氣（＞ 99.99%）。所用試劑為分析純，試驗用水為去離子水。

1.2 儀器工作條件

Cu 元素的分析譜線為327.393 或324.752 nm，Mg 元素的分析譜線為285.213 nm。冷卻氣流量為15 L/min，輔助氣流量為0.2 L/min，霧化氣流量為0.8 L/min，射頻功率為1.2 kW，樣品流速為1.5 mL/min，觀測高度為15 mm[10]。

1.3 試驗方法

稱取100.0 mg（精確到0.1 mg）的導管焊縫原位打磨的粉末于15 mL 錐形瓶中。在錐形瓶中加入HCl（1+1）20 mL，滴加幾滴過氧化氫低溫溶解，溶液冷卻后定容于100 mL 容量瓶中，采用儀器工作條件測量溶液中的化學成分Cu 或Mg 元素的質量分數。

1.4 標準溶液的制備

1）Cu 標準溶液A（1.00 g/L）：準確稱取1.000 0 g純銅（質量分數≥99.95%）于250 mL 燒杯中，加入40 mL 硝酸（1+1），低溫加熱溶解，冷卻后移入1 L容量瓶中，補加30 mL 濃硝酸，用水稀釋至刻度，混勻。

2）Cu 標準溶液B（0.10 g/L）：移取25.00 mL 銅標準溶液A，置于250 mL 容量瓶中，加入15 mL 濃硝酸，用水稀釋至刻度，混勻。

3）Mg 標準溶液C（1.00 g/L）：準確稱取1.000 0 g純鎂（質量分數≥99.95%）于250 mL 燒杯中，加入10 mL 水，緩慢加入40 mL 鹽酸（1+1），劇烈反應后，微熱至完全溶解，冷卻后移入1 L 容量瓶中，補加30 mL 濃鹽酸，用水稀釋至刻度，混勻。

4）高標溶液：根據樣品中Al 元素的質量分數范圍，稱取適量鋁屑（質量分數≥99.98%）（使Al元素的質量分數和與試樣中的質量分數基本一致），置于150 mL 燒杯中，按1.3 節的溶解方法進行溶解，溶解完全后移入200 mL 容量瓶中，移取4 mL Cu 標準溶液B 和8 mL Mg 標準溶液C，用水稀釋至刻度，混勻。

5）低標溶液：根據樣品中Al 元素的質量分數范圍，稱取適量鋁屑（質量分數≥99.98%）（使Al元素的質量分數和與試樣中的質量分數基本一致），置于150 mL 燒杯中，按1.3 節的溶解方法進行溶解，溶解完全后移入200 mL 容量瓶中，移取1 mLCu 標準溶液B 和4 mLMg 標準溶液C，用水稀釋至刻度，混勻。

6）空白溶液：根據樣品中Al 元素的質量分數范圍，稱取適量鋁屑（質量分數≥99.98%）（使Al 元素的質量分數和與試樣中的質量分數基本一致），置于150 mL 燒杯中，按1.3 節的溶解方法進行溶解，溶解完全后移入200 mL 容量瓶中。

校準曲線溶液的制備：實驗選用高標溶液、低標溶液和空白溶液作為標準點來建立校準曲線，校準曲線線性≥0.999 9。

2 結果與討論

2.1 焊縫原位打磨工藝的確定

按照HB/Z 119—2011 中焊縫尺寸的規定，對于管材壁厚為0.5～1.0 mm 的對接焊，2、3 級焊縫背面余高要求不大于1.5 mm。當背面余高大于1.5 mm 時，允許用機械加工方法修理，使其平滑過渡，符合焊接質量要求。另外，同樣根據標準中焊接質量檢驗的要求，對于焊縫凹陷屬于缺陷類，當母材壁厚δ 為0.5～5.0 mm 時，對2、3 級焊縫分別允許有最大深度0.1δ（不超過焊縫長度的15%）、0.2δ（不超過焊縫長度的20%）的凹陷。在實際生產中，工藝要求焊縫余高應至少與母材齊平，不能凹陷，同時滿足上述余高。

根據焊接工藝的要求，在保證零件質量，不損傷導管管壁的前提下，制定試驗件導管內壁焊縫處原位打磨工藝為：

1）打磨每根焊縫前，應對打磨工具進行清潔，對導管內部進行保護，可通過膠帶將塑料薄膜粘貼在導管內壁便于收集焊縫金屬屑。為防止薄膜碎屑掉入導管，薄膜粘貼前需確認大小，并與取出后的大小進行對比，確保無碎屑掉入導管。

2）打磨導管時，應盡可能覆蓋整條內焊縫，提高焊縫打磨的均勻性，在保證打磨后的剩余焊縫高度應不小于0.5 mm 的前提下，收集足量焊縫金屬屑（約0.3 g）。打磨時應注意不對導管基材造成損傷。將每條焊縫打磨下來的粉末逐個用塑料袋包裝，以避免外來污染物的混入。

2.2 模擬焊縫錯混料試驗件方案設計

按照一般零件焊接的工藝，焊接過程包括“修配→定位焊→校正→滿焊→校正”等步驟。根據母材的直徑，定位焊時一般會在管材上熔焊3～4 個定位點（一般為直徑6～7 mm 的定位點）（圖1），然后對組合零件進行校正，再對焊縫處進行滿焊（圖2）。滿焊時，定位點會再次融化，但基本保持原位置。若5A03 焊絲和2A10 鋁絲混放，而操作工人不知情的情況下，會出現定位焊和焊縫很可能不會使用同一根焊絲的情況，造成多種錯混料類型。據此，針對防銹鋁5A02 導管焊接情況，模擬設計幾種焊縫混料情況（表1）。

圖1 2A10 普通定位點Fig.1 2A0 welding orientation point

圖2 導管對接焊成品Fig.2 Tube butt welding product

表1 焊管試驗件清單Table 1 5A02 welding tube test samples list

針對上述試驗件的焊縫采用焊縫原位打磨工藝進行打磨，收集粉末，進行化學成分檢測。

2.3 焊縫化學成分分析

1）錯混料特征元素確定。

實際在生產現場焊接時，正常情況應是焊接5A02 導管選用5A03 焊絲，但操作工人在不知情的情況下，可能出現錯將2A10 鋁絲代替5A03 焊絲焊接5A02 導管的錯混料情況。在高溫的作用下，焊縫處材料為母材和焊料混合在一起的混合物，成分復雜。

參考GB/T 3190《變形鋁及鋁合金化學成分》[11]，5A03、2A10 材料化學成分差異較大的有Cu、Mg元素，特別是Cu 元素。按照材料標準要求，對于母材5A02 和正確的焊絲5A03 中Cu 元素的質量分數都要求小于0.10%，而用錯的2A10 鋁絲的Cu 元素的質量分數一般為3.9%～4.5%。根據焊接工藝和模擬試驗件可知，焊縫處混合物的化學成分會隨著錯混料的不同情況發生變化。本試驗需要研究出能夠明顯代表錯混料發生的特征元素。

初步設計對焊縫處打磨粉末中的Cu、Mg 元素進行分析。

對表1 中管徑為φ50 mm 的焊管試驗件進行焊縫原位打磨，收集焊縫處的粉末，溶樣后測定溶液中的Cu、Mg 元素質量分數，結果見表2。

表2 φ50 mm 焊管試驗件原位打磨粉末的化學成分試驗結果（質量分數 /%）Table 2 Results of chemical composition analysis for φ50 mm tube welding seam grinding in situ (mass fraction /%)

對比分析表2 中焊縫粉末的Cu、Mg 元素質量分數與GB/T 3190[11]標準要求，可以得出：1）焊縫粉末的Cu、Mg 元素質量分數與原材料是不一致，如定位焊和滿焊焊料全部為5A03 時，焊縫的Mg 元素質量分數（3.1%）是介于5A03（Mg 3.2%～3.8%）和5A02（2.0%～2.8%）材料牌號的指標之間，說明在高溫的作用下，焊絲與母材融化在一起，形成新的焊縫，不能簡單用原材料Mg 的判斷指標來判斷焊縫處有無混料。2）因2A10 材料的Cu 元素質量分數（3.9%～4.5%）與5A03（Cu≤0.10%）、5A02（Cu≤0.10%）材料的Cu 元素的質量分數差別較大，隨著表2 中焊管試驗件2A10 定位點錯誤數量的增加，焊縫粉末Cu、Mg 元素的變化呈現一定的規律，其中Cu 元素質量分數隨著2A10 定位點增加而增加。當焊縫處原位打磨取粉的Cu 元素質量分數大于0.10%，即超過5A03、5A02 材料標準中要求的Cu≤0.10%時，可以判斷有混料情況發生。但是，對于定位點錯用成2A10，特別是一個定位點用錯情況下的Cu 元素的質量分數判斷標準，需要深入研究。

后續選定Cu 元素作為表征焊縫處有無混料的特征元素，通過定量確定焊縫粉末中Cu 元素質量分數的多少來判斷在一條導管焊縫中是否混入2A10 鋁絲以及混入鋁絲的數量。

2）5A03 焊絲中混入2A10 鋁絲數量的確定。

通過以上研究已確定Cu 元素可以作為特征元素來表征焊縫處有無混料，但是對于實際焊接時，可能是1～3 個定位點混入2A10，也可能是焊接時全部使用2A10。對此需要針對不同的導管管徑，不同的錯混料情況，準確測定焊縫原位打磨粉末中的Cu 元素的質量分數，建立Cu 元素質量分數變化的標準來判斷混入2A10 材料的多少。

模擬對接焊時的5 種混料情況，設計φ42～60 mm 的不同直徑規格鋁管，進行焊縫原位打磨，收集焊縫粉末，溶樣后測定溶液中的Cu 元素質量分數，結果見表3。

從表3 可以看出：1）模擬同樣混料情況下，隨著管徑增大，Cu 元素質量分數總體呈下降的趨勢；2）在同樣管徑下，2A10 混料情況越多，粉末中Cu 元素質量分數逐步增加；3）對于φ42～60 mm 的鋁管，定位點及滿焊均為5A03 的導管，以及1 個定位點錯用2A10 的導管的Cu 元素質量分數有明顯區別，當焊縫粉末中Cu 元素質量分數大于0.06%，即可判斷焊接時定位點材料發生錯誤。采用ICP-AES 光譜法分析焊縫粉末化學成分方法可以區分出最少一個定位點混料的情況。4）定位點錯用成2A10 時，焊縫粉末中Cu 元素質量分數隨錯用材料的定位點數量的增加成倍數增長，趨勢明顯，符合規律。

表3 不同規格焊料的鋁管Cu 元素分析結果（質量分數 /%）Table 3 Results of Cu content in aluminum tubes with different solder specifications (mass fraction /%)

根據研究，對于φ42～60 mm 的鋁管焊縫處采用原位打磨的工藝打磨粉末：當粉末中Cu 元素的質量分數大于0.06%，即可判斷焊接時至少有1 個定位點錯用成2A10 鋁絲；隨著Cu 元素質量分數的增加，錯混料情況愈發嚴重，當Cu 元素的質量分數大于2%，判定焊接時焊絲全錯用為2A10。

2.4 結論

1）隨著管徑增大，粉末中Cu 元素質量分數總體呈下降的趨勢。

2）在同樣管徑下，2A10 混料情況越多，粉末中Cu 元素質量分數是逐步增加的。

3）對于φ42～60 mm 的鋁管，當焊縫粉末中Cu 元素質量分數大于0.06%，即可判斷焊接時至少有一個定位點混料發生。當Cu 元素質量分數大于2%，可判定焊接時焊絲全錯用成2A10。