鋁合金PMIG焊接時,解決焊縫根部撕裂現象的研究

王巧云　白清博　劉闖　賈明陽

摘 要：我公司采用PMIG焊機焊接5052、6061鋁合金時，在沒有進行無損探傷的情況下，外觀檢查沒有焊接缺陷，但在產品的試運行過程中，頻繁受力部位經常出現焊縫根部整個撕裂的現象，直接影響產品的質量，從焊機和材料焊接特性分析產生焊縫根部撕裂的原因，優化工藝，歸納總結避免產生焊縫根部撕裂的控制措施。

關鍵詞：鋁合金PMIG焊接 根部撕裂 未熔合收弧方法

Research on the Phenomenon of Tearing at the Root of the Weld during PMIG Welding of Aluminum Alloy

Wang Qiaoyun Bai Qingbo Liu Chuang Jia Mingyang

Abstract：When the company uses PMIG welding machine to weld 5052， 6061 aluminum alloy， there is no welding defect in appearance inspection without non-destructive testing. However， during the trial operation of the product， the root of the weld often appears on the frequently stressed parts. The phenomenon of tearing directly affects the quality of the product. From the welding characteristics of the welder and the material， the reasons for the root tear of the weld are analyzed， the process is optimized， and the control measures to avoid the root tear of the weld are summarized.

Key words：aluminum alloy， PMIG welding， root tearing， unfused arc closing method

1 前言

鋁合金5052、6061是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，鋁合金密度小，自重輕，強度高，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性。其材料特性使其在結構件中的應用日益增多，對鋁合金焊接結構的需求，使鋁合金的焊接研究逐漸深入。特別是結合公司鋁合金焊接的實際情況，鋁合金焊接后，外觀檢查沒有焊接缺陷，但是在使用一段時間后，經常出現焊縫根部整個撕裂的現象，嚴重影響產品質量，解決焊縫根部撕裂現象迫在眉睫。主要從材料的焊接特性和焊機的性能特點方面進行分析，提出有效控制措施。

2 材料的焊接特性

鋁合金5052、6061所具有的物理及化學性能，在焊接時會存在一系列困難。了解材料的焊接特點及可能出現的問題，采用合適的焊接方法及相應的工藝措施來保證獲得優良的焊接質量。鋁合金5052、6061焊接時具有以下焊接特點：

2.1 強的氧化能力

焊接過程中對鋁合金的材料進行科學分析時，需要了解其氧化能力較高的特性，且生成后得到的物質較為穩定，難以進行有效處理。同時，受到氧化膜所占比重較大的影響，會對焊接質量產生潛在威脅，加上水分對鋁材應用效果的影響，從而影響了鋁合金形成過程中的焊縫質量，從而破壞金屬的均勻性，降低接頭的力學性能。

2.2 高的導熱、導電性

相比碳素鋼及類似的材質，鋁合金應用中的導熱性特點更為突出，使得焊接作業進行中產生了較多的熱量，并在金屬熔池中會逐漸消耗掉。在此期間，因熱量損失的影響，會使鋁合金焊接質量及應用效果受到了一定的影響。針對這種情況，需要考慮功率大的能源的高效利用，促使鋁合金的焊接質量更加可靠，優化其使用功能，滿足鋁材料科學應用要求，避免增加相應的成本費用。

2.3 容易形成裂紋傾向

鋁合金5052、6061焊接時一般不會產生冷裂紋，鋁及鋁合金的線膨脹系數約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率大、焊件的變形較大，焊接熔池凝固時往往由于過大的收縮內應力而在焊縫金屬中產生結晶裂紋。

3 PMIG焊機焊接鋁合金的性能

焊接鋁合金采用PMIG逆變式脈沖熔化極氣體保護焊，PMIG焊接鋁合金具有低的熱輸入量、生產率高、易實現自動化的特點，逆變技術可以保證在焊接過程中電網電壓及電弧長度高速平穩變換，電弧自調節能力強。同時，在適宜的電流條件下，會以熔化極氣體保護的形式，為焊接質量的有效保護提供專業支持，且電流產生中依賴于頻率、幅值變化等，能夠實現對進入到熔池中熔滴方面的科學控制。除此之外，在了解鋁合金自身特性的前提條件下，加強PMIG焊機使用，實現對焊絲及母材的預熱處理，并在基值電流的作用下，也能達到電弧燃燒中穩定性提高的目的。

平均電流值比臨界電流值低，熱輸入量小;焊接電流的調節范圍寬，調節平均焊接電流即調節送絲速度，既可用于薄板δ≥1.0mm焊接，又可用于厚板的焊接。 由于電源輸出特性為直流反接，陰極霧化能力強，有效地清除Al2O3薄膜。

4 PMIG焊接鋁合金時，產生焊縫根部撕裂的原因

結合鋁合金的材料焊接特性及PMIG焊機焊接性能和產品結構特點，分析產生焊縫根部撕裂的原因有焊縫根部未熔合和收弧弧坑裂紋引起應力集中兩種可能。

4.1 未熔合

未熔合是焊接時，焊道與母材之間或焊道與焊道之間未完全熔化結合在一起的缺陷，未熔合是一種虛焊，是一種面積型缺陷，明顯減少了承載截面積，應力高度集中，是焊縫最危險的缺陷之一。考慮采取以下控制措施：

a.清理坡口和根部表面油污及雜質;

b.焊接速度太快，焊縫未充分熔合;

c.增大焊接電壓，增大熔寬。

d.單側有熔深另外一側無熔深時，說明焊接操作技術不當，調整一下焊槍角度和縮短一下焊絲干伸長度;

在焊接方法確定的條件下，結構的形狀、尺寸、位置、表面狀態的差異，以及焊工操作的熟練程度都可以產生未熔合的缺陷。結構形狀復雜，會進一步增加結構本身的儲熱能力，使得原有焊接熱源的比功率下降，導致未熔合。

4.2 收弧方法

弧坑是指在焊接收尾處（焊縫終端）形成低于焊縫高度的凹陷坑，是一種較為常見的焊縫外部缺陷，主要出現在焊縫末端或焊縫接頭處，弧坑是金屬結晶雜質聚集區和最大焊接內力區，在接頭受力時成為薄弱環節，不但減弱焊縫強度，還會在冷卻過程產生裂紋。焊條在收弧處稍多停留一會，用焊絲填滿弧坑，能夠防止產生弧坑缺陷。或者在焊接收弧區形成凸起，目的是避免焊縫中產生由收弧所引起的焊接缺陷，并將收弧缺陷盡可能的滯留于焊縫表面的凸起中，磨平凸起;焊縫打磨后再次進行焊接時，焊縫起弧處要搭接在在前段焊縫至少25mm的長度處，搭接的目的就是把起弧引起的地缺陷滯留在搭接的焊縫金屬中，保證焊縫接頭處的焊接質量，焊接完成后去除焊縫表面的25mm焊縫搭接余高。

減少弧坑裂紋的主要措施：

a.弧坑裂紋是因為斷弧時熔池中心在沒有熱源的條件下凝固，在冷卻時產生了較大冷卻速度。因此在焊接時不要采用過高的焊接速度，在收弧時采用收弧板并逐漸斷弧，以降低冷卻速度。

b.由于收弧處雜質和低溶組分聚集在該處，加之熔池攪拌不強烈等綜合因素形成所謂的“脆斷面”，為減少這種影響，在焊接工藝上，應使該處熔池變得寬而淺，采用適當的焊接坡口和焊接方法，提高焊縫成型系數。

c.由于收弧處，焊縫金屬凝固過程中處于拉應力狀態，而拉應力又是產生此裂紋的外因，因此可采用預應力方法，即在收弧處施加預壓應力，或者選擇合理的焊接順序和焊接方向，以減少收弧處的拉應力，防止裂紋的產生。

5 對未熔合及弧坑缺陷的處理

發現焊縫出現未熔合缺陷時，用鋼質扁鏟或者電動鏟鏟除未熔合處的焊縫金屬后補焊;出現弧坑缺陷時， 對焊縫進行仔細的清理，在收弧處稍多停留一會，用焊絲填滿焊縫。

6 解決焊縫根部撕裂的控制措施

防止和消除焊縫根部撕裂的措施應針對其產生的原因。除了在設計上考慮以外，可采取的相應措施有：

6.1 增大焊接電壓、電流

鋁合金本身的導熱系數大（約為鋼的2-3 倍） ，散熱快。在保證焊縫熔透和熔合良好的條件下，應在焊接工藝規程允許范圍內盡量采用大電流、快速施焊，焊絲的橫向擺動幅度不宜超過其直徑的三倍。無特殊要求時焊件焊前不進行預熱，多層焊時層面溫度應盡可能低，不宜高于100℃。

6.2 起弧、收弧要求

起弧點焊接溫度低，應增大起弧電流，約為正常電流的1.5倍，加長焊接時間約為0.2-0.5s;正常焊接過程中，隨著時間的變化，母材溫度會升高，熔池會擴大，應加快焊接速度，控制槍頭擺動幅度，以控制焊接質量;收弧點焊接溫度高，易形成弧坑，應減小收弧電流，增加收弧時長，以彌補弧坑缺陷，收弧點應引至焊縫一側，不能留在焊縫中間，以防引起焊縫開裂。起弧、收弧點避開應力集中區。焊縫起弧處要搭接在在前段焊縫至少25mm的長度處;收弧點弧坑填滿后，需要將焊接弧坑修整打磨至焊縫和周圍母材平滑過渡。

6.3 焊槍角度的選擇

作業人員在實施焊接操作的過程中，為了降低其缺陷問題發生的概率，需要選擇好焊槍角度。在此期間，應將其角度控制在90°左右的范圍內，并根據實際情況進行有效調整，使得焊槍在實踐應用中能夠取得良好成效。

6.4 改變焊接位置

立焊時，要用焊絲拖著熔池向上走，左右呈弧度擺動，控制焊縫寬度和熔池大小，對于頻繁受力部位可采用工裝使平焊位代替其它位置的焊接。

6.5 設置引弧板和熄弧板

縱焊縫兩端應裝上鋁制的引弧板和熄弧板，縱環焊縫清除弧坑后接續焊時，也宜在引弧板上引燃電弧，待電弧燃燒穩定后再進行焊接 焊接過程中，如果熄弧后再引弧，則需要對接頭處進行打磨處理后方能重新引弧，接頭處需打磨成斜坡平滑過渡。

按照工藝要求及采取上述方案做相關的試件后，通過無損探傷試驗，發現焊縫根部問題確實沒有了，說明采取以上方案能夠有效解決焊縫根部撕裂現象。

參考文獻：

[1]陳志強、李芳.關于鋁合金PMIG焊接技術的研究現狀.輕金屬與高強材料焊接國際論壇.

[2]魏兆種.鋁合金焊接裂紋產生的原因和預防措施.工程材料.