鋁合金薄壁管斜對接TIG焊工藝優化

朱雙龍，周永東，吳憲宏

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

7020鋁合金具有較高的強度、良好的焊接性和工藝性，屬于中高強Al-Zn-Mg合金，是航空設備以及地面車輛裝備的主要焊接結構材料[1]。隨著我國電力機車、高速動車組、城軌車輛的發展，為了滿足列車的高強度及輕量化運行需求，動車車輛、機車車輛及城軌車輛的受電弓均采用了7020鋁合金。

7020鋁合金薄壁管對接TIG焊在焊接過程中有很大的難度，對焊接工藝和焊工技能水平有很高的要求。而電力機車受電弓上的斜對接焊接接頭，由于在整個焊接過程中接頭形式、焊接位置和實際壁厚都在不斷變化，焊接難度更高，很容易出現焊接缺陷[2]，為此需要通過持續的焊接工藝優化來保證焊接質量。

2 焊接工藝

（1）接頭形式 母材材質為7020T6，規格為?60mm×3mm，采用銑床加工出50°的斜面，保證管斜對接時兩管夾角為100°，開60°V形坡口，裝配間隙1~2mm，鈍邊1mm，接頭如圖1所示，要求單面焊雙面成形。

（2）焊接工藝 首先，焊前使用丙酮清洗鋁管表面油污后，采用不銹鋼鋼絲輪進行拋光去除鋁管表面氧化皮。

其次，采用交流TIG焊的焊接方法，具有很好的陰極清理作用[3]；由于該處焊縫為關鍵焊縫，為有效保證焊接質量，盡可能降低產生氣孔的風險，選用高純度的氬氣作為保護氣；在焊接時，工件固定，焊工通過不斷調整焊接位置完成焊接，焊完一半后翻轉工件再焊接另外一半，焊接參數見表1。

表1 焊接參數

最后，焊后用不銹鋼鋼絲刷去除焊縫及母材表面的黑皮，焊縫外觀如圖2所示。

圖1 接頭

圖2 焊縫外觀

3 焊接缺陷及原因分析

（1）焊接缺陷 該焊縫接頭為環焊縫，為有效檢查環焊縫內部情況，選取整個環焊縫焊接接頭，沿著截面剖切，平行焊縫軸線進行截取，經目視檢測發現焊縫背部存在未焊透、成形不良及焊瘤等缺陷，如圖3所示。按照ISO 10042《鋁及鋁合金的熔化焊接頭缺陷質量分級》要求，未焊透及連續的成形不良均屬不允許的缺陷，而圖3中連續的未焊透缺陷嚴重影響產品的使用安全。

圖3 焊接缺陷

（2）原因分析 首先，由于管斜對接時，坡口形式比較特殊，機械加工坡口難度很高，只能使用砂輪機手工修磨出坡口，從而導致坡口各位置尺寸不一致，在裝配時存在錯邊（見圖4）、間隙不一致（見圖5）的問題，導致焊接過程不穩定，影響焊縫背面成形。

圖4 裝配錯邊

圖5 間隙不一致

其次，管斜對接的坡口形式在整個焊接過程中實際的母材厚度在不斷變化，最大壁厚為4.67mm，最小壁厚為3mm，因此采用同樣的焊接參數焊接時，在壁厚較厚處難以焊透。

最后，現有鋁管的單面焊雙面成形焊接工藝開了坡口，但背部無氣體和墊板保護，非常容易在焊縫背部形成氣孔、縮溝。

4 焊接工藝優化過程

（1）坡口優化 由于管斜對接V形坡口的特殊性，管截面呈橢圓形，目前無合適的加工設備及加工方法制備出坡口面角度、鈍邊一致的坡口，采用手工修磨坡口容易導致坡口面角度、鈍邊超標且嚴重不一致，后續裝配時容易導致間隙過大，錯邊超標。因此，為徹底解決該問題，采用不開坡口不留間隙的工藝進行裝配焊接，如圖6所示。

圖6 不開坡口不留間隙裝配

（2）工藝參數優化 首先，針對焊接過程中母材厚度不一致的問題，將焊絲直徑由?2.0mm更改為?3.2mm，提升焊縫的熔合性和焊透性，同時提升了焊接速度，熔敷效率更高[4]。

其次，以前的焊接工藝在焊接參數制定時僅考慮了焊接電流，未考慮環焊縫存在實際母材厚度變化的情況，起弧位置不容易焊透。本次工藝優化時充分考慮上述情況，優化引弧電流、焊接電流和熄弧電流，經過多次驗證，引弧電流設置為160~170A，焊接電流120~130A，熄弧電流30~35A，優化后的焊接參數見表2。

表2 優化后的焊接參數

（3）工藝驗證 工藝驗證步驟如下：

1）驗證優化后的工藝焊接標準試件的可行性，即采用兩件?60mm×3mm×300mm的7020T6試件，不開坡口、不留間隙進行裝配，按照新工藝進行焊接，焊后焊縫外觀和背面成形均良好，如圖7所示。

圖7 標準接頭背面成形

2）采用優化后的工藝焊接9件斜對接接頭，焊縫外觀成形良好（見圖8），根部全部焊透（見圖9），且無其他焊接缺陷，經多個試件測量，焊縫背部余高均≤2.4mm（焊縫寬度為6mm），符合ISO 10042-C標準中對焊縫余高的要求。

圖8 斜對接接頭外觀成形

圖9 根部全部焊透

3）由于該接頭形式為非標接頭，無法通過力學性能試驗驗證接頭強度，因此制作了不開坡口的標準接頭試件，按照優化后的焊接工藝進行焊接，然后加工成標準的拉伸試樣進行強度試驗。此外，為了比較工藝優化前后的強度情況，制作了原開V形接頭的試樣作為對比試件（見圖10），以驗證強度的變化。工藝優化前后抗拉強度對比見表3。

圖10 對比試件

根據ISO 15614-2，7020-T6鋁合金對接焊接頭的抗拉強度效率為0.75，即焊后接頭抗拉強度應≥350×0.75MPa=262.5MPa。由表3可以看出，開坡口與未開坡口的試件焊接接頭強度均滿足要求，且未開坡口的接頭強度略高于未開坡口的接頭。

表3 工藝優化前后焊接接頭抗拉強度對比

4）由于新工藝直接取消了V形坡口的制備，每件可節約15min的工時；同時I形坡口不留間隙裝配相比原工藝，既縮短了裝配時間，又顯著提高了裝配質量；此外，選用更粗直徑的焊絲，熔敷效率更高，焊接速度也得到了提升。綜上所述，通過新工藝的實施，焊接效率提高了40%。

5 結束語

1）通過改善接頭坡口形式，增大焊絲直徑、優化焊接參數等措施，不但有效地解決了7020鋁合金薄壁管斜對接TIG焊接頭中出現的未焊透、焊瘤、熔合不良及背部成形差的缺陷問題，而且在一定程度上提高了接頭的強度，同時新工藝能帶來顯著的焊接效率的提升。

2）目前在焊接7020鋁合金薄壁管材對接接頭時，普遍采用了開坡口和預留間隙的方法，坡口加工和接頭裝配費時費力，而本文為此類接頭不開坡口不留間隙焊接提供了可靠的依據，并且接頭質量更優。

3）7020鋁合金薄壁管材在制定焊接工藝時應多做比較，進而選擇最適宜的焊絲規格，焊接參數制定時應重點設置起弧電流，確保起弧位置焊透。