一種瓢形管軸的焊接缺陷及改善研究

朱佳華，高友價，吳國鋒，郭凱，胡俊

常德翔宇設備制造有限公司 湖南常德 415000

1 序言

管軸是一種用管子和閥門等結構件連接而成的用于輸送氣體、液體或摻雜有固體顆粒的流體裝置。流體經壓縮機、鼓風機、泵和鍋爐等增壓處理后，由管道高壓處流向低壓處，有時可憑借流體自身壓力或重力輸送。管軸廣泛應用于遠距離輸送石油和天然氣、水力工程、農業灌溉等民生領域。

一種瓢形管軸的橫截面形狀如圖1所示。該瓢形管軸是應用于某特殊領域的管狀零件，既有壓力管道的作用，又具備導向軸的功能。正常工作時連接兩個帶壓油箱，油箱壓力均為0.6 MPa，同時管軸內凸出的那一部分管道內壁面還需作為伸縮軸的導向裝置。該裝置是由多段AA6061-T6鋁合金通過交流鎢極氬弧焊工藝焊接而成。焊絲選用ER4043鋁硅系焊絲，直徑為1.2 mm。焊縫對接處采用帶定位止口的坡口形式，對接接口通過數控機床加工獲得。焊接時，不僅需要滿足管段與管段之間同軸度和直線度的要求，而且需要滿足NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》所規定的焊縫等級I級，即焊接接頭內不允許存在裂紋、未熔合、未焊透和條形缺陷。AA6061-T6鋁合金母材及ER4043焊絲的化學成分見表1，力學性能見表2。

圖1 瓢形管軸的橫截面形狀

表1 鋁合金和焊絲的化學成分（質量分數） （%）

表2 AA6061-T6鋁合金的力學性能

2 焊接缺陷及成因分析

為滿足設計要求，該瓢形管軸在焊接時的環境溫度和濕度均符合要求[1，2]。組焊后檢測到的工件狀況是：直線度和同軸度能滿足要求，但X射線檢測出焊縫整圈未熔透，并在管壁由薄變厚的對稱位置兩側均出現大量氣孔，焊縫質量等級被評定為Ⅳ級（焊縫質量的最低等級），因此無法滿足產品使用要求。瓢形管軸橫截面易產生氣孔部位如圖2所示。在焊接時，焊縫產生未熔透和氣孔缺陷，不僅會減少金屬的有效工作面積，顯著地降低金屬的強度和塑性，而且還有可能造成應力集中，引起裂紋，嚴重地影響動載強度和疲勞強度。此外，彌散小氣孔雖然對強度影響不顯著，但會引起金屬組織疏松，導致塑性、氣密性和耐蝕性降低[3，4]。

圖2 瓢形管軸橫截面易產生氣孔部位（紅色區域）

針對焊縫未熔透、氣孔兩種焊接缺陷，可從材料、結構及工藝等角度加以分析。

（1）材料方面 AA6061-T6是一種Al-Mg-Si系可熱處理強化型鋁合金，主要通過熱處理過程中形成的納米級亞穩沉淀相阻礙位錯的運動而實現較高強度。AA6061-T6鋁合金母材的顯微組織如圖3所示。由圖3可知，母材為典型的軋制態形貌，晶粒沿軋制方向被拉長，呈板條狀，主要由鋁基固溶體及分布其中的圓點狀沉淀相等第二相組成。該鋁合金具有良好的成形性、焊接性、可加工性以及耐蝕性，廣泛應用于高鐵車體、船舶構件、汽車零部件等結構制造和焊接結構中[5]。通過鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護焊、釬焊、電子束焊及激光焊等多種熔化焊方式，均可實現無焊接缺陷的接頭。顯然，AA6061-T6材料并不是本文所述焊接缺陷產生的原因。

圖3 AA6061-T6鋁合金母材的顯微組織

（2）結構方面 凹凸式定位止口造成整圈難以熔透。因結構設計的局限，加上焊件之間的同軸度和直線度要求，將焊接處設計成帶定位止口的單面焊，而此定位止口造成了整體結構組織和性能的不連續性，因而產生了焊接時難以全部熔透的缺陷。定位止口如圖4所示。

圖4 定位止口

（3）工藝方面 管壁由薄變厚的過渡幾何設計造成了焊接過程中要在此處短暫停留，并需改變焊接參數，從而形成了氣孔。雖然工藝要求每個焊口的每一道焊要一氣呵成，且工件已經預熱，但由于管壁的厚度差已超過2倍，厚壁處的散熱能力大大強于薄壁處。因此，使用焊接3.5mm厚板設定的焊接參數繼續焊接7.8mm厚板肯定不合適，必然在管壁厚度由小增大至一定數值后需改變焊接電流、電弧電壓、焊接速度等參數才能繼續施焊，此種變化對熔池中氣體的順利逸出造成了影響[6]。經過多次焊接試驗，均在管壁由薄變厚部位的焊縫中出現了氣孔，這也證實了前文所述。

3 焊接缺陷的改善方法

3.1 焊縫未熔透

針對整圈焊縫出現的未熔透缺陷，采用可拆卸的內襯工裝代替工件自身的定位止口來對焊件進行定位，并將內襯工裝設計成焊縫反面成形的胎具，這樣對接焊口就變成了類似于帶墊板的單面焊。這種組焊方式不僅可以保證工件的同軸度，也有助于焊縫的全熔透。定位工裝的形狀及擺放位置如圖5所示。考慮到鋁合金熔化后具有較好的流動性，內襯工裝的材料應選用石墨或純銅，并在與焊縫接觸的外圓柱面加工出寬3mm、深0.8mm的環槽，為焊漏留出余量，有利于焊縫反面成形。內襯工裝由4瓣組成，中間加工出圓形錐孔，通過壓入錐形芯軸的方式將4件瓣塊脹開，確保內襯工裝與管內壁貼緊，拆卸時拔出芯軸，將兩件小的活動瓣塊朝中心方向拔出即可。

圖5 定位工裝的形狀及擺放位置

3.2 厚度變化部位出現氣孔

如前所述，氣孔是由于連續施焊時管壁厚度不均勻造成的，該不均勻性可造成散熱能力的不一致性。在瓢形管軸的外面加裝一個不等厚的散熱環，使瓢形管軸在焊接過程中每處的散熱能力相同，可實現理論意義上的“等厚焊接”。散熱環的材質與母材相同，均為AA6061-T6鋁合金。其內外形狀可通過機械加工的方法獲得，這樣確定每個部位的厚度時，只需考慮散熱環與瓢形管軸外壁的傳熱效率。經反復驗證，安裝此種結構的瓢形管軸在焊接時能夠消除相應位置的氣孔。

4 結束語

從材料、結構及工藝等方面分析了瓢形管軸環焊縫焊接時出現的焊縫未熔透、氣孔缺陷及原因。具體改善措施：一方面，提出了通過可拆卸的內襯工裝代替工件自身的定位止口對焊件進行定位，并將內襯工裝設計成焊縫反面成形胎具的方法，可消除整圈焊縫中出現的未熔透缺陷；另一方面，提出了在瓢形管軸外面加裝一個不等厚的散熱環，可消除管壁厚度突變處出現的氣孔缺陷。在日常焊接鋁合金等散熱性較好的材料時，要關注厚度變化，可采用增加輔助工裝的方式，使不等厚的連續焊接過程變成理想的等厚焊接。