船體鋁合金自動TIG焊單面焊雙面成型工藝應(yīng)用

摘要：鋁合金自動TIG焊單面焊雙面成型工藝，是一種高效焊接方式。本文對鋁合金自動TIG焊的難點及關(guān)鍵控制點進行分析，從質(zhì)量控制出發(fā)，制定了工藝措施，并進行了工藝評定驗證，該方法在產(chǎn)品船應(yīng)用取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：自動TIG焊;工藝措施;質(zhì)量控制

中圖分類號：U671.8

文獻標識碼：A

1 前言

鋁合金材料在各行業(yè)被大量采用，成為現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬。首先，是因為其具有良好的機械性能，如：具有高的強度、抗斷裂韌性及疲勞強度，同時還具有良好的加工成形工藝性和焊接性。幾十年來，鋁合金受焊接工藝裝備發(fā)展局限，國內(nèi)焊接都一直以手工TIG焊為主，施工效率低，焊接變形大，增加焊接后變形矯正工作量。

自動TIG焊是在手工TIG焊的基礎(chǔ)上，增加了送絲機、控制器、專用焊槍、自動行走小車等裝置，達到自動焊接的目的;自動TIG焊具有焊接效率高、焊接變形小、焊縫成形更均勻等優(yōu)點。

鋁合金材料被大量使用到船體外板的主要結(jié)構(gòu)上，應(yīng)用鋁合金自動TIG焊，可克服手工焊接的缺點，提高焊接效率，減小焊接變形。為滿足高質(zhì)量自動TIC焊焊縫標準.需要分析影響鋁合金焊接質(zhì)量的因素，建設(shè)必要的焊接裝備，并在工藝適應(yīng)性等方面進行全面研究試驗，確保焊接質(zhì)量。

2 影響自動TIG焊接質(zhì)量的因素及關(guān)鍵控制點

2.1 焊接特點

（1）焊縫容易出現(xiàn)氣孔

鋁合金母材和焊絲基體金屬表面容易產(chǎn)生氧化膜吸收水分，焊接時水氣過渡到電弧中在高溫分解;由于鋁合金焊接過程中熔池溫度由高變低，氫的溶解度急劇下降，有大量的氫氣析出。鋁合金熔點低凝固速度快，所以在焊接過程中若焊接參數(shù)不合適或操作不當時，焊縫極容易出現(xiàn)氣孔缺陷。

（2）焊縫容易出現(xiàn)夾渣

鋁合金本身有較強的氧化性，鋁元素與大氣中氧的親和力大，在8-12小時即可生成Al2O3氧化物薄膜。該氧化膜的密度大、熔點高，而鋁合金密度小、熔點低，焊接時若焊縫坡口打磨清理不徹底，或焊絲存放時間長表面不潔凈，則增加氧化膜的產(chǎn)生幾率;同時，鋁合金焊接速度快，熔池凝固速度快，熔池中有氧化膜時不容易熔化和上浮，易造成焊縫出現(xiàn)夾渣缺陷。

（3）焊縫容易出現(xiàn)大的焊接變形

鋁合金受熱后膨脹系數(shù)較大，焊接時高溫膨脹量為鋼的2倍，凝固時體積減少約5%，焊接收縮變形大，產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，引起周邊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形。因此鋁合金焊接時要充分考慮收縮變形量，控制零件下料的尺寸精度，預(yù)先設(shè)置合理的收縮反變形量，避免因精度考慮不足造成結(jié)構(gòu)尺寸達不到建造要求。

2.2 關(guān)鍵控制點

針對以上鋁合金焊接特點，自動TIG焊接關(guān)鍵控制點如下：

（1）焊接電源選用

鋁合金采用交流帶脈沖的全數(shù)字化逆變電源，全數(shù)字逆變電由微電腦芯片控制和監(jiān)測焊接數(shù)據(jù)和焊接過程，并快速對任何變化做出反饋調(diào)整，使焊機工作獲得最佳電弧狀態(tài)，保證電弧挺度及電弧穩(wěn)定，焊縫熔池的保護效果較好。

經(jīng)對日本OTC、松下及奧地利Fronius三家企業(yè)制造的交流帶脈沖的全數(shù)字化逆變焊機的測試，最后選定奧地利Fronius生產(chǎn)的MV3000/5000Job型焊機，該焊機具備以下特有功能：焊機是正弦波和方波的活性波，可以更好的保證焊接時的波形，從而能獲得減少焊縫氣孔的焊接效果;變極性交流功能除可以實現(xiàn)交流正負半波占空比可調(diào)外，還可調(diào)節(jié)正負半波峰值;正半波電流峰值可增加焊縫熔深，減少焊縫坡口加工量，兩個電流峰值可降低電弧平均熱量，也可起到保護鎢極、減少鎢極大電流狀態(tài)下燒損損耗;可實現(xiàn)與功能相協(xié)調(diào)的脈動送絲（脈沖焊接過程中與焊接的正負兩個電流峰值對應(yīng)，具有兩個送絲速度，脈沖峰值時送絲速度快，脈沖基值時送絲速度慢）。這些都有利于進行鋁合金的自動TIG焊接。

（2）裝配間隙控制

自動TIG焊對焊件的裝配間隙要求較高，主要考慮鋁合金焊前的預(yù)留收縮變形量。預(yù)留收縮變形量過大或過小都會影響焊接過程。過大容易焊穿，過小則會焊不透，并且焊縫會凸起;另外，還要考慮保證焊接件平整度、平直度在公差范圍內(nèi)，保證焊縫不出現(xiàn)焊偏;裝配間隙依靠工藝試驗進行摸索，確定不同厚度和長度焊縫的間隙預(yù)留。

（3）焊接變形控制

自動TIG焊的焊接變形較大，所以在焊接前要使用壓鐵或?qū)Ｓ脢A持工裝約束板材，達到減少焊接變形的目的。在壓緊時應(yīng)注意與鋁材接觸的工裝外表要加裝橡膠墊等，以防損傷鋁合金表面。

（4）送絲裝置設(shè)置

自動TIG焊的焊接由于是自動送絲，再加上鋁合金焊絲較軟，所以前端送絲銅管的彎曲度不能過大，否則影響送絲順暢;其次，送絲出口端與焊槍的距離也要以TIG焊接操作要求為原則，保證焊絲送入到前半端熔池中。如距離過大，焊絲不能送人到氬氣保護罩中，且熔化不充分;過小則焊絲會送入弧柱中引起焊絲氣化。經(jīng)試驗，確定最佳距離為4 - 6mm。

（5）焊接規(guī)范

自動TIG焊，需要充分熔透母材實現(xiàn)單面焊雙面成型，電流相對較大，要求有連續(xù)均勻并與脈動電流匹配的脈動送絲速度。對φ1.2 mm - 2.0 mm的焊絲進行試驗，當采用φ1.2 mm焊絲時經(jīng)常會發(fā)生送絲不暢的狀況，主要原因是鋁合金焊絲較軟，所以應(yīng)采用φ1.4 mm以上的焊絲。

焊接電流、送絲速度、小車速度是自動TIG焊三個變化量，應(yīng)對應(yīng)不同母材厚度選取正確參數(shù)，要求三個參數(shù)相互協(xié)調(diào);同時也要模仿手工TIG焊接特點，保證焊絲送人能始終保持在前半端熔池中，不至于使焊絲太深入到熔池而影響焊縫成型;如送絲速度相對于焊接電流較慢，焊絲與鎢針距離太遠不能將焊絲送入到氬氣保護罩中，焊絲熔化不連續(xù)會造成焊縫焊絲填充量不足，達不到工藝要求的焊縫標準尺寸;如送絲速度相對于焊接電流過快，則焊絲會送人電弧中引起焊絲氣化，小車行走速度與焊絲熔化速度應(yīng)保持一致。

（6）焊槍與行走小車

首先夾持要穩(wěn)固，否則焊接時鎢針易與焊件相碰造成夾鎢;另外，由于工人在焊接過程中需進行跟蹤調(diào)節(jié)，所以焊槍各角度的調(diào)節(jié)要靈活。

3 解決措施

針對以上關(guān)鍵控制點，采取的主要措施如下：

（1）焊接壓緊工裝

提升焊接平臺上壓平鋁板的壓板工裝及壓緊控制功能，包括：液壓系統(tǒng)、龍門架壓緊提升系統(tǒng)、龍門架行走系統(tǒng)、龍門架壓緊及提升系統(tǒng)、焊接送絲小車行走系統(tǒng)等。焊接壓力架投入使用，解決分段拼板長度范圍的自動焊接壓緊功能。

（2）底部焊縫成型槽

一般鋁合金焊接底部襯墊可采用銅或不銹鋼材質(zhì)，根據(jù)技術(shù)文件中要求，并參照船舶建造規(guī)范要求，背面焊縫成型最大余高2.5 mm，3-5mm板厚的成型槽圓弧最大深度2.0 mm、寬度10 mm，成型槽安裝過程保持槽的中心直線度和水平度。 成型槽表面加工精度對焊縫成型質(zhì)量有很大影響。若成型槽表面加工粗糙，焊縫表面與熔合線區(qū)域會產(chǎn)生連續(xù)氣孔;成型槽表面光潔度高，焊縫就不存在氣孔缺陷，焊縫外觀成形質(zhì)量也得到改善。

（3）焊接環(huán)境

自動TIG焊在專用拼板工位進行，焊接區(qū)域應(yīng)相對形成獨立封閉的工作工位，保持場地的潔凈，不應(yīng)有其它的打磨工作;每班次施工前應(yīng)對壓板進行檢測，包括：壓板的清潔狀況、成型槽的磨損狀況;焊接設(shè)備運行狀況監(jiān)測，設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)的準確性、送絲機構(gòu)的送絲暢順性、焊絲盤卷狀況、壓絲綸，送絲管要定期進行清潔檢查。

（4）氬氣使用

參照GB/T 4842中對氬氣質(zhì)量的要求，結(jié)合相關(guān)規(guī)范和工藝文件要求，焊接保護氣體采用高純氬氣，氬氣純度不少于99.995%;使用前放氣30 s，排出送氣管內(nèi)的殘余空氣;送絲管每隔15天用酒精清潔送氣管道，沖洗管壁沉積的雜質(zhì)。

（5）拼板裝配組裝

①鋁板在等離子切割后，用銑刀、銼刀或者刮刀修光板材和加筋板的切割端面，修光深度不小于0.5mm;

②采用機械方式打磨加工焊接坡口，正反面及端面必須用鋼絲輪或拋光輪進行拋光打磨，徹底打磨處理焊接面的切割痕，保證坡口及鋁板表面光潔度。對比幾種打磨工具的打磨效果及焊接質(zhì)量，選定密質(zhì)拋光片作為打磨工具;

③在開始組裝零件前，利用白色洋布沾濕丙酮清潔焊接邊緣及不銹鋼襯墊;

④為保證首位端部的焊縫質(zhì)量，設(shè)置在尺寸不小于100 mmd*100 mm的鋁合金引、熄弧板上開始和結(jié)束焊縫，引、熄弧板厚度和邊緣加工應(yīng)符合被焊接的接頭狀況;

⑤壓力架對裝配焊接縫應(yīng)注意壓板的錯邊，對于厚5 mm的板材，錯邊量不大于0.5 mm;

⑥自動焊反面焊縫與不銹鋼成型槽接觸，冷卻速度大，焊縫表面1 mm厚度范圍內(nèi)存在部分氣孔缺陷，因此自動焊背面焊縫應(yīng)用清根刀片打磨，使剩余的余高在0 - 3mm范圍內(nèi)，并要求焊縫光順過度。

（6）焊接參數(shù)

對鋁板進行試驗，確定不同規(guī)格厚度的焊接參數(shù)如表1所示。

（7）焊縫返修

自動TIC焊焊縫成型美觀，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，拍片合格率高，產(chǎn)生的缺陷以氣孔、裂紋和未焊透為主。焊縫外觀檢驗主要采用目測、放大鏡等進行檢驗，必要時可采用著色探傷檢驗表面裂紋，也可按照行業(yè)標準相關(guān)檢驗要求進行。當發(fā)現(xiàn)焊縫上有不允許的焊接缺陷時，應(yīng)進行修補處理，焊縫同一部位修補次數(shù)不宜超過兩次，超過兩次的應(yīng)向上級技術(shù)部門上報;缺陷去除主要采用機械清理方法去除焊縫缺陷，然后采用氬弧焊進行焊縫修補;修補完成后進行無損檢測。

4 性能評定

4.1 TIG焊縫外觀

對船舶常用的5083鋁質(zhì)板材進行焊接工藝評定，焊縫表面呈現(xiàn)出銀白色，氣體保護良好，焊縫表面魚尾紋清晰均勻，采用的焊接工藝參數(shù)恰當;對焊接后的試板的縱向撓曲變形和端部最大變形量進行測量，試板焊后平整，折角和扭曲變形小，采用壓緊工裝可以控制鋁合金自動TIG焊的焊接變形。

4.2 焊縫應(yīng)力分布

鋁合金焊接有較大的受熱膨脹和凝固收縮系數(shù)，對焊縫采用超聲波法測量焊接接頭的殘余應(yīng)力分布：焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)位置出現(xiàn)殘余應(yīng)力峰值，最大達到126 MPa，為母材標準屈服強度的60%左右;殘余應(yīng)力最大值區(qū)間為焊縫兩側(cè)20-40 mm位置，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，說明焊接收縮明顯;隨著與焊縫中心線的距離增加而快速降低，在距離焊縫80-100 mm出現(xiàn)了殘余壓應(yīng)力，見圖1所示。

4.3 焊縫微觀金相

分別觀察焊接接頭的熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫中心的金相組織，見圖2a）、2b）、2c）所示。在熱影響區(qū)，母材晶粒受熱導(dǎo)致與軋制方向垂直的方向上有一定的晶粒長大;在焊縫金屬接近熔合區(qū)，出現(xiàn)了小區(qū)域的細小等軸晶區(qū);在焊縫中心處，出現(xiàn)了尺寸較大的等軸晶。

4.4 焊縫力學(xué)性能

對焊接試板根據(jù)標準進行力學(xué)性能試驗，對鋁合金焊接接頭進行彎曲和拉伸檢測：在彎曲試驗中，按標準分別進行正彎與背彎檢測，彎曲后檢測受拉面完好，沒有出現(xiàn)裂紋及其它缺陷，表明該接頭塑性良好;制作兩個拉伸樣件進行拉伸檢測，試件的抗拉強度最小值為223 MPa、最大值為236 MPa，5083鋁合金材質(zhì)母材抗拉強度270 MPa。標準要求焊縫接頭的拉伸強度系數(shù)不應(yīng)小于母材的0.8（即216 MPa），可知所有試件強度值都滿足標準要求。

5 應(yīng)用效果

自動TIG焊在鋁合金產(chǎn)品對接縫中得到應(yīng)用，顯著提高鋁合金拼板焊接質(zhì)量和焊接效率。相比傳統(tǒng)的手工TIG焊接方法，對施工人員的操作技能水平要求顯著降低，焊接效率是手工TIC焊的5倍，有助于產(chǎn)品批量化和規(guī)?；ㄔ?鋁合金分段焊縫成型良好，焊接密集氣孔明顯減少，外板光順，分段外形美觀，拍片合格率大幅提升，施工人員勞動強度降低，分段建造質(zhì)量達到可控狀態(tài)，焊接變形小，滿足了對鋁合金產(chǎn)品較高的建造要求，實船應(yīng)用取得良好效果。

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