5A06薄板鋁合金的手工鎢極氬弧焊工藝研究

■李常青 樊 虎

一、引言

鋁合金具有較高的比強度，導電性、導熱性以及良好的耐蝕性，因此，在航空航天、機械制造、電工、化學工業(yè)和某些特殊的應用場合得到大量的應用。5A06鋁合金是Al-Mg系非熱處理強化防銹鋁合金，其可焊性很好，通常作為焊接結構材料使用。

5A06鋁合金焊接時有以下特點：1.表面極易形成一層難容的氧化膜，焊接時若不能有效清除易出現(xiàn)未焊透、未熔合、夾雜和氣孔等缺陷；2.其導熱性強而熱容量大，必須采用能量集中的熱源；3.線膨脹系數(shù)大，焊接時易產(chǎn)生變形，在拘束應力下易導致裂紋；4.焊接接頭易出現(xiàn)抗拉強度偏低，塑性不足。現(xiàn)目前，鋁合金焊接方法主要有氬弧焊、電阻焊、電子束焊、電渣焊和釬焊等。其中，鎢極氬弧焊是在惰性氣體氬氣的充分保護下進行焊接，阻止空氣中有害氣體的傾入，能夠獲得性能較好的焊接接頭，焊縫成型美觀。手工鎢極氬弧焊是當前應用最廣泛的一種焊接方法。

通過不斷深化和完善，其在焊接鋁合金時具有以下優(yōu)點：1.防止空氣侵入，接頭處不受氧、氮及氫的侵蝕，可獲得高質量的焊縫；2.避免焊縫中生成夾渣和氣孔；3.焊縫及構件的收縮量很小；4.焊接接頭的力學性能和抗蝕性能大大提高；5.對構件準備工作要求不高，焊接操作簡單。

本文針對某型號5A06鋁合金產(chǎn)品焊接問題，對試板進行了不同工藝參數(shù)條件下的手工鎢極氬弧焊焊接，設計了焊接工裝夾具，獲得了理想的工藝參數(shù)，焊接接頭性能達到指標要求。通過本次試驗，為我廠某產(chǎn)品實際焊接提供了試驗數(shù)據(jù)支持，也為5A06鋁合金手工鎢極氬弧焊提供了技術參考。

表1 5A06鋁合金化學成分(質量分數(shù))(%)

二、試驗材料和方法

試驗材料為400mm×80mm×5mm規(guī)格的5A06鋁合金板材，示意圖如圖1，手工鎢極氬弧焊填絲為φ3.0的鋁鎂焊絲。表1給出了5A06鋁合金化學成分。其室溫抗拉強度為320MPa。

焊接設備為交流氬弧焊機，試板采用平板對接接頭形式，試驗前將待焊的試板進行堿洗處理，在烘箱中烘干后按照表2給出的6組焊接工藝參數(shù)進行手工鎢極氬弧焊接。其中保護氣體為99.99%的氬氣，焊接時氣流量為8L/min。焊接時先進行點焊，然后進行坡口正面焊接，然后用砂輪對背面進行打磨，去掉氧化膜后進行背面焊接。

圖1 試板加工示意圖

表2 焊接工藝參數(shù)

焊后將外觀成型好的焊縫按照QJ2698-95 Ⅰ級進行X光透視檢查。為了考察手工鎢極氬弧焊焊接接頭在常溫下的力學性能，對于無缺陷的試板，按照GB/T 2651-2008加工成拉伸試樣，并進行拉伸試驗。每一試板加工5個板拉伸試樣，取其平均值為最終抗拉強度值。

三、焊接工裝夾具的設計

圖2 平板對接示意圖

圖3 預變形對接示意圖

5A06薄板焊接易變形，通過焊后進行人工時效可消除殘余應力，保證接頭強度。按照圖2平板對接進行手工鎢極氬弧焊焊接，焊后發(fā)生先焊面受壓應力的變形。經(jīng)過人工時效后，并未消除焊接變形。為減小焊接變形，按圖3在點焊時給5°～10°預變形，焊后進行人工時效后，存在輕微變形，且預變形角度的控制也難以達到最終尺寸精度要求。為進一步防止或減少工件的焊接變形，設計了簡易的工裝夾具，示意圖如圖4所示。使用工裝夾具焊接后進行人工時效，能控制試板的焊接變形，滿足尺寸精度要求。

圖4 使用夾具對接示意圖

四、不同工藝條件下，接頭抗拉強度結果分析

通過使用工裝夾具，并按照表2工藝參數(shù)進行手工鎢極氬弧焊焊接，獲得6個焊接接頭，分別給每一接頭打上1到6的編號。通過X光透視檢查發(fā)現(xiàn)所有編號的接頭都未出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，都具有成型性較好的焊縫。影響焊接接頭質量的工藝參數(shù)主要有氣體流量和焊接電流。

99.9%的高純氬惰性氣體可以保護熔池不被氧化，氣流量又對工藝性能和最終焊縫成型有重要影響。氣流量過大會使熔池“翻漿”，周圍空氣容易卷入熔池，保護效果不好；氣流量過小，排除周圍氣體的能力也減弱，同樣使保護效果降低。通過調整，焊接時氣流量選擇8L/min時能達到最佳效果。

焊接熱輸入對接頭成型和最終性能有直接影響。熱輸入過大，容易出現(xiàn)過燒、大的焊接變形、熱影響區(qū)晶粒粗化等現(xiàn)象。熱輸入過小，熔池停留時間短，不利于熔池中氫的逸出，容易獲得淬硬的組織。公式(1-1)為焊接熱輸入公式:

式中：E為焊接熱輸入，J/cm；U為焊接電壓，V；I為焊接電流，A；ν為焊接速度，cm/min。

由公式(1-1)可知，焊接熱輸入與電壓電流成正比，與焊接速度成反比。在實際焊接過程中電壓變化不大，選擇的焊接速度一定，那么焊接熱輸入主要由焊接電流決定。通過研究焊接熱輸入和試板抗拉強度之間的關系，可找到最優(yōu)化的焊接參數(shù)以滿足接頭的使用性能。

通過對6組試板進行拉伸試驗，取試驗獲得的5個抗拉強度值的平均值作為每一工藝參數(shù)條件下抗拉強度。圖5給出了這6組不同工藝參數(shù)下所得焊接接頭的抗拉強度。

圖5 不同焊接電流下接頭抗拉強度

由圖5可知：焊接電流為200A時獲得接頭抗拉強度最高，其值為291MPa，為母材抗拉強度的90.6%，其表現(xiàn)出最好的接頭抗拉強度。選擇焊接電流為200A時工藝參數(shù)為最終的產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)。

焊接電流分別為160A、170A、180A時，接頭抗拉強度變化不大分別 為 275MPa、272MPa、284MPa， 分別為母材抗拉強度的85.9%、85%、88.5%。雖然這3組表現(xiàn)出了較好的抗拉強度，但比焊接電流為200A時接頭抗拉強度低。

焊接電流為220A、230A時的接頭抗拉強度較焊接電流為200A時接頭抗拉強度小，分別為母材抗拉強度的87.5%、81.6%，隨著焊接電流的增加，接頭抗拉強度有明顯減小趨勢。焊接電流是決定焊縫熔深的最主要參數(shù)，隨著電流的增加熔深增加，同時使熱影響區(qū)加大，接頭出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，強度降低。

五、結論

1.5mm厚5A06鋁合金試板采用手工鎢極氬弧焊時產(chǎn)生焊接變形，通過設計簡易焊接工裝后，能有效控制焊接變形，滿足后續(xù)尺寸加工精度要求。

2.通過設計6組不同焊接工藝參數(shù)，對鋁合金試板進行手工鎢極氬弧焊焊接，均獲得成型良好的焊接接頭。其中焊接電流為200A時，接頭抗拉強度達到母材抗拉強度的90.6%，表現(xiàn)出較好的力學性能，從而也將焊接電流為200A時的工藝參數(shù)作為實際產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)。

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