船用鋁合金MIG焊焊接工藝制訂要點

CCS重慶分社 段 昊

某船廠原主要以建造鋼質和不銹鋼液貨船為主，為了更好地發展，擬向鋁合金結構制造方面拓展業務作為技術儲備，打算首先制訂出船廠自己的鋁合金MIG焊接工藝。但該船廠并沒有鋁合金結構制造的經驗，遂參照工廠現有碳素鋼和不銹鋼CO2氣體保護焊焊接工藝，結合查閱資料的情況和焊接試驗室的經驗，制訂了鋁合金MIG焊接工藝。船廠抽調了13名一線熟練焊工按照焊接規范進行了實操焊接，從焊接試板的焊縫外觀情況看，焊縫成形較好，無明顯缺陷，外觀檢查合格。但隨后在彎曲試驗中，該批試件全部斷裂，第一次焊接試驗失敗。

失敗的彎曲試件斷面情況反映出多種焊接缺陷：除了明顯的未焊透（淺表焊）和氣孔外，亦有未融合、夾雜等缺陷。筆者匯總了本次焊接試驗的資料，并進行了總結。經分析：除了焊工新接觸鋁合金MIG焊，尚未適應鋁合金焊接特點的因素外，失敗的主要原因還是鋁合金焊接工藝制定時，簡單套用了碳素鋼CO2焊的焊接經驗，沒有充分考慮到鋁合金MIG焊接的特點，使得制定的工藝與鋁合金焊接不匹配。

MIG焊特點

1、鋁合金焊接接頭軟化嚴重，高溫鋁的強度很低，容易焊穿。

2、鋁容易氧化，生成的Al2O3氧化膜熔點高、穩定，不易去除，在焊接過程中阻礙了母材的熔化和熔合，使得鋁合金焊接容易產生夾雜、未融合、未焊透等缺陷。

3、Al2O3氧化膜吸附水分，水分導致鋁合金焊接容易產生氣孔。

4、鋁的線膨脹系數高，需要采取預防焊接變形的措施。

5、鋁的熱導率和比熱容相比碳素鋼的熱導率和比熱容高出很多，使得鋁合金焊接需要的熱輸入量大。

影響焊接工藝制定的因數

焊工因數：焊工需拋開碳素鋼和不銹鋼焊接經驗和焊接習慣的影響，重新總結鋁合金焊接經驗。

Al2O3氧化膜因數：為了減小氧化層的影響，一方面，焊接前應采用化學或機械方法進行嚴格的表面清理，清除其表面氧化膜；另一方面，在焊接過程加強保護，防止鋁的氧化：采用去除氧化膜的焊劑；在厚板焊接時，加大焊接熱量。

焊前清理：使用不銹鋼刷或者用丙酮清洗焊縫區域；不使用砂輪打磨，特別是硬質砂輪，會導致雜質進入焊縫，導致熱裂紋；焊接鋁合金使用的工具應該與焊接碳素鋼使用的工具徹底區分開；清理完畢后應立即施焊；如清理后，在一定時間內未能施焊（4小時），則在施焊前應重新清理。

工裝：選用點接觸形式的工裝，避免工裝帶走熱量，從而加速熔池的凝固，不利于焊縫氣孔的排除；同時，工裝夾具的壓力應適中（9.0～9.5MPa）。

保護氣體：純氬氣（Ar100%）一般應用于鋁合金薄板的焊接；在鋁合金厚板焊接中采用氬氣（Ar70%）+氦氣（He30%）的混合氣體。同時需注意的是：氣體流量應適中，不能過大。

坡口： 對于板厚在3mm以下的對接焊縫不開坡口；3mm以上的對接焊縫應開坡口；另，不開坡口的對接焊縫可以在焊縫背面倒角0.5-1.0mm，這樣有利于氣體的排放和避免背面凹槽，從而提高焊縫質量（見圖）。

焊槍角度的選擇：在焊接方向上，焊槍角度一般控制在90°左右。

焊接規范參數：鑒于鋁合金焊接的特點和鋁合金區別于碳素鋼的物理特性，鋁合金焊接宜采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的焊接方法。

焊接工藝參數的調整

按照上述原則，筆者針對船用鋁合金MIG焊接工藝的制訂，與船廠焊接試驗室的技術人員一道，從多方面著手進行了進一步的摸索和調整。經過多次焊接試驗，提出了鋁合金MIG焊接工藝的調整方案（見表）。

調整焊接工藝方案后，再次讓焊工按照新的焊接規范進行了實操焊接，均獲得了質量不錯的鋁合金板對接焊縫，并一次性通過了彎曲試驗。

兩個方案的共同點：①均采用了單面坡口的形式。因為在此厚度下，碳素鋼板對接焊基本上可以保證焊縫的熔透，而對于鋁合金板就很難獲得穩定質量的熔透焊縫了；同時，為了使焊接的可達性提高，該處坡口的角度可以提高到每邊35°。②焊前清理工具均改為采用不銹鋼刷進行清理。

兩個方案的差異：①方案一：其他條件不變的情況下，將保護氣體換成了氬氣（Ar70%）+氦氣（He30%）的混合氣體，同時適當提高了焊接電流。這種情況下，能量密度的增大是明顯的，效果也不錯，但使用氦氣后，增大了生產成本。②方案二：重點著眼于焊接規范內的參數調整，其焊接電流和焊接速度的提升較大，也獲得了不錯的效果。生產成本低于第一種方案，但因為焊接速度的提高，對焊工要求提高。

綜上所述，盡管從型式上看，鋁合金熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊）與碳素鋼CO2氣體保護焊有著類似和互通的地方，但鋁合金的物理特性和在焊接中的表現卻與碳素鋼有著很多不同，使得我們在制定鋁合金焊接工藝時一定不能簡單套用后者的經驗，而必須在了解了鋁合金及鋁合金焊接后才能制定與之相匹配的焊接工藝；同時，焊工在新從事鋁合金焊接工作時，需要拋開碳素鋼的焊接經驗和習慣，養成鋁合金焊接的習慣。

對于鋁合金MIG焊接工藝的制訂和審核，尤其是船廠初涉鋁合金MIG焊時，特別應注意：

① 厚度3mm以上的鋁合金板對接焊縫，需要開坡口才能保證焊縫的熔透；

② 采用小規范焊接鋁合金薄板時，工裝的選用和固定方式需要保證焊件的熱量不會大量流失，否則也容易出現未焊透的缺陷；

③ 鋁合金焊接的焊前清理方法和措施有別于碳素鋼，清理工具不能混用；

④ 鋁合金焊接宜采用能量密度大、焊接熱輸入小、焊接速度高的焊接方法。