鋁合金薄壁長外管體焊接工藝的優化及研究

吳 斌

(中國船舶集團有限公司 第705研究所,云南 昆明 650101)

鋁合金由于具有質量輕、比強度高、耐蝕性好等優點，在航海、航空、高速列車等行業中作為構件被大量采用[1]，其中不同壁厚管件的使用占了很大比例.鋁的化學性活潑，與空氣接觸時會生成一層致密的Al2O3薄膜，鋁及其合金較強的氧化能力也會阻礙金屬間的良好結合，給焊接帶來一定的難度.鋁合金熔化溫度低、導熱能力差，薄壁鋁合金管焊接時更容易熔化坰塌，焊縫成形困難，易產生裂紋、夾雜及氣孔[2].

目前常見的鋁合金焊接方法主要有電弧焊(arc welding)、攪拌摩擦焊(friction stir welding)、 電子束焊(electron beam welding)、激光焊(laser welding)[3]等焊接方式.

本文研究了2段 ΦP426 mm×ΦP380 mm×1750 mm規格的5A06鋁擠壓管的接頭鴿極氫弧焊TIG的焊接工藝，通過正交試驗設計和實際的生產焊接，并對焊接接頭進行了嚴格的檢驗，確定了適用于該類型薄壁長外管體的最優焊接工藝.試驗結果表明，在該工藝條件下，所獲得的焊接接頭質量穩定，相關力學性能指標完全能達到國軍標Ⅰ級要求，且焊縫美觀.該研究方法可適用千各類壁厚的鋁及鋁合金管件的焊接，具有較大的經濟效益.

1 試驗材料及試驗方法

試驗用材料為 ΦP426 mm×ΦP380 mm×1 750 mm 規格的5A06鋁擠壓管，焊接氣體是純度為99.99%的高純氫氣，采用ΦP1.2 mm的ER5356焊絲，表面尤氧化皮、油、脂等異物，外管體裝夾圓周跳動量不大千 0.5 mm，焊接場地周圍無污物，無影響焊接質量的油、脂、潤滑劑等雜物存在，環境濕度不大千60%，焊前對管體在270～320 ℃ 范圍內保持2～4 h的預熱，氫氣流量為16-18 L/min，瓶內氣壓不低千2 MPa.

使用XXQ1005型X射線探傷儀對焊接接頭進行無損探傷，采用0LYMPUSBH-2金相顯微鏡觀察接頭的顯微組織，Quant-200掃描電鏡對焊層組織形態和斷口形貌進行觀察和分析.根據前期的試驗及相關研究[4-5]，對管體接頭質量能產生明顯影響的是焊接電流、焊槍角度、工件轉速、送絲速度等.研究采用的是4因素4水平，結合分析研究的需要，第一階段選取5因素4水平的正交試驗方案L16(45)進行16組試驗[6].為了提高統計分析的精確性和可靠性，在研究的第2階段，采用與第1階段相同的焊接工藝參數，相應地重復了2次試驗，最終獲得了3組48個數據.對A(焊接電流)、B(焊槍角度)、C(工件轉速)、D(送絲速度)4 個因素各取4個水平，正交設計方案見表1.

表1 因素水平表

用于判定焊接接頭的性能指標主要有抗拉強度σb、伸長應力σ02、斷后伸長率δ5,為便于對最終焊接接頭的綜合性能進行評定，結合前期試驗采用綜合評分,綜合指標的評分關系如下：

總分M=抗拉強度×3+伸長應力×l+斷后伸長率×2 000-1 190，

(1)

式中：抗拉強度為: 抗拉強度是金屬由均勻塑性形變向局部集中塑性變形過渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力；伸長應力為: 試樣標距部分的伸長(彈性伸長和塑性伸長)達到規定的原始標距百分比時的應力；斷后伸長率為金屬材料塑性的一個重要指標，其數值越大，表示金屬材料的塑性越好.

2 試驗結果及分析

2.1 正交設計的結果分析

結合實際分析的需要，本文僅列出第一階段試驗結果的16組數據，見表2.采用(1)式對這些數據的評分結果用M表示.

表2 第1階段試驗結果的綜合評分

正交試驗結果見表3.對3次試驗結果的評分見表3中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ列.各組的評分之和用Q代表.為方便后面準確地進行顯著性檢驗，本文做如下定義：Kij為第i列因素j水平所對應的綜合評分Q值之和，可得K1j、K2j、K3j及其平方Klj2、K2j2、K3j2.重復試驗的方差分析時，每號試驗重復數為3,在計算K1j、K2j、K3j時，是以各號試驗 下“3 個試驗數據之和”進行計算.為簡便直觀分析結果，本文還對第1階段的 16 組數據進行了極差分析，定義Kij為第1階段試驗的評分值的第i列因素j水平的和.

從上述對第一階段試驗結果的評分，直觀分析得出的最優組合是A3B2C2D1，但是這個結果只能說明第一階段試驗結果的情況，為了進一步驗證最優的焊接工藝組合，本文將采用表3中的3組綜合評分之和做方差分析，結果見表4.

表3 試驗方案及結果計算表

表4 方差分析表

4個因素的作用高度顯著，根據F值的大小來判斷，因素作用的主次順序為C、B、D、A.通過比較Kij值，可得最優水平組合A3B2C2D1，與上述直觀分析中僅采用第1階段試驗結果的直觀分析一致，說明第1階段的16組數據比較理想，能代表3組數據對焊接接頭質量的反應.但在表3中，試驗結果中評分最高的是A3B4C2D1.在這2個焊接工藝的組合里，僅在B因素上出現了差別.為了驗證最終的結果，對上述2種組合各進行五組試驗，結果顯示兩種組合條件下，該型焊管接頭的抗拉強度σb、伸長應力σ0.2、后伸長率δ5等方面的指標相差不明顯，可認為兩組焊接參數均能代表最優的焊接組合，僅由于試驗中的誤差造成了數據差異，為方便研究，本文認為最優的組合是 A3B2C2D1.

為了預測最佳工藝組合條件下會有什么樣的焊接質量，就要求出其工程平均.因子的效應即試驗因子在相應水平下數據平均值與總平均的偏離.試驗條件下的工程平均是總平均和主要因子在該條件下出現的效應之和.結合上述的分析結果和試驗數據，認為各次試驗均能比較理想地反映相應組號的試驗情況.為便于分析，可采用第1次試驗的16組數據來計算條件A3B2C2D1下的工程平均.定義ai=KA-y為因素 A 在第i水平效應；y為第一次試驗時綜合評分的工程平均值57.43.類似地可定義bi、Ci、di.根據表3可得a3=7.57、b2=7.78、C2=11.07、d1=4.57，從而可得最優工程平均值為57.43+7.57+7.78+11.07+4.57=86.61.

對試驗評分的最優工程平均值進行波動范圍8a的估計(區間估計)，采用式(2)：

(2)

通過(2)式，當取α=0.05時，δ0.05=12.15.

因此，采用組合A3B2C2D1綜合評分99.9%的置信區間為(74.46～98.76)，對該方案的實際評分也是落在這個區間內，說明該方案是合理的.

2.2 焊接接頭的組織分析

焊接接頭各區受焊接熱循環的作用不同，再加上焊接材質不同，使得焊接結構不同部位的組織與性能不同.此外，焊接結構在使用過程中面臨交變載荷、交變溫度等復雜環境，焊接接頭各區域的使用壽命與應力腐蝕傾向也不盡相同[7-8].

圖1為采用最優工藝焊接的外管體焊接接頭的金相組織，采用5%的苦味酸溶液作為腐蝕劑，圖1(a)為接頭的焊縫組織，圖1(b)為接頭的熔合區組織.由照片可知，接頭的這兩部分組織皆正常，通過X射線檢測，也未發現裂紋、夾渣、疏松等缺陷，組織晶粒細小均勻，晶粒間結合緊密.在圖1(a)中，可以看到組織存在一定的方向性，可以確定是由于焊絲填充之后，在電弧的吹動作用下，部分金屬液存在規律性流動.在圖1(b)中，由于合理的工藝參數，理想的熱輸入避免了晶粒的粗大，管體母材與填充金屬實現了良好的結合.

圖1 外管體焊接接頭的金相組織

圖2是在最優焊接工藝參數條件下，焊接得到的接頭在不同放大倍數的斷口掃描圖像.在這個斷面上分布著均勻的圓坑狀韌窩，其外觀呈現圓錐狀，從錐心到邊緣，可以清晰地看到中心纖維區、放射區和邊緣剪切唇區，可以肯定這種特征是解理斷裂與韌窩斷裂兩種機制控制下的失效結果.這種解理和韌窩組合的混合斷面屬于典型的韌-脆混合斷裂，說明所獲得的焊接接頭在保證一定強度的同時，又有較好的韌性，能夠滿足所期望的最終性能.經外觀檢查及X射線探傷檢驗，表明焊縫成形優良，無內部缺陷，焊接接頭滿足使用要求.

圖2 焊縫拉伸斷口形貌

3 結語

兩段規格為Φ426×Φ380×1 750 mm，材料為SA06鋁的短擠壓管能夠通過鴿極氫弧焊接的方法，獲得規格為中 Φ426 mm×Φ380 mm×3 500 mm 長擠壓管，其拉強度σb、 伸長應力σ0.2、 后伸長率δ5焊縫外觀等各方面性能均可滿足生產需要.

通過正交試驗設計和方差分析，可以確定優化后的焊接工藝參數是：焊接電流 280A；焊槍角度 75o；工件轉速 16.5 mm/min ；送絲速度 7mm/s，并且這4個因素均會顯著地影響焊接接頭的性能.

研究結果表明，在該工藝條件下，所獲得的焊接接頭質量穩定，相關力學指標完全能達到性能要求，且焊縫美觀.該方法可適用于各類壁厚的鋁及鋁合金管件的焊接，具有較大的經濟效益.