不同焊絲對焊接防銹鋁管力學性能的影響

尹東霞，吳 旻，吳佳欣，朱 凱

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610092）

0 引言

對于機械產品常用的防銹導管，如5A02、3A21等，焊接時按照HB/Z 119—2011《鋁及鋁合金熔焊工藝及質量檢驗》標準的要求[1]，對應不同的母材應選用相應的焊絲進行連接填充。如針對防銹鋁5A02導管，應選用5A03焊絲；針對5A02導管和3A21導管相連，應選用5A03焊絲等。為保證焊接質量，依照焊接手冊[2]有色金屬的焊接要求，氬弧焊焊接試樣過程中，氧化鋁薄膜阻礙金屬之間的良好結合造成的夾渣，氧化膜吸附水分焊接時促使焊縫生成的氣孔，在焊接前嚴格清理焊件表面的氧化物，防止焊接過程中的再次氧化。對處于高溫下的拉伸試樣進行保護，以防止焊接中產生各種焊接缺陷。但在生產現場曾有焊接導管零件時焊接部位出現開裂的情況，通過排查排除是焊接工藝不當引起的，最終發現是因同規格的5A03焊絲和2A10鋁絲在外觀上肉眼很難區分，現場工人錯將5A03焊絲和2A10鋁絲混用，錯焊了5A02鋁合金導管導致。本試驗針對該種5A03焊絲和2A10鋁絲混用對焊接防銹鋁5A02導管零件的力學性能影響開展研究，分析不同焊接材料在焊接部位力學性能、金相組織及化學成分的變化，找到焊絲混用引起零件焊接部位開裂的原因。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

材料選用廣泛使用的強度中等、塑性及耐蝕性好、焊接性好的5A02防銹鋁管，模擬零件焊接過程：修配→定位焊→校正→滿焊→校正。采用5A03焊絲和2A10鋁絲對5A02防銹鋁管進行定位和焊接，將5A02鋁管采用焊接形式為對接或者T形接焊接在一起。

1.2 模擬試驗件方案設計

按照一般零件焊接的工藝，焊接過程包括修配、定位焊、校正、滿焊、校正等步驟。若5A03焊絲和2A10鋁絲混放，而操作工人不知情的情況下，會出現定位焊和焊縫很可能不會使用同一種焊絲的情況，針對這種情況，模擬設計幾種焊縫正常及混料情況（表1）。

表1 模擬焊縫正常及混料情況

1.3 力學性能試驗

將焊接件加工為長度197 mm，寬度工作部分15 mm的剖管拉片，拉伸試樣（圖1）按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[3]規定的試驗速率進行機械性能試驗，測定拉伸強度、延伸率，得到試驗數據。試驗設備為電子萬能拉伸試驗設備，試驗速率為10 mm/min，試驗溫度10～35℃。

圖1 拉伸試樣

2 結果與討論

2.1 拉伸性能比較

拉伸試驗數據見表2及圖2、圖3。

表2 拉伸試驗數據

圖2 抗拉強度試驗數據

圖3 延伸率試驗數據

拉伸試驗過程中，隨著試驗速率的持續增加，2-X拉伸試樣即定位焊和滿焊均為2A10的試樣，拉伸試樣均存在瞬間斷裂，斷后試樣均斷裂在焊縫區域。相同拉伸速率、試驗環境的拉伸條件下，5A03定位及焊接的5A02+5A02管材焊接件試樣和2A10定位及5A03焊接的管材焊接件試樣的抗拉強度和延伸率試驗數據基本保持恒定，試樣斷裂區域均為母材（圖4）。2A10定位及焊接的5A02+5A02管材焊接件試樣的斷裂位置80%在焊縫焊趾位置（圖5），抗拉強度和延伸率試驗數據明顯偏低。

圖4 斷裂區域均為母材

圖5 斷裂焊趾處試樣

2.2 焊縫表面化學成份分析

為進一步研究斷裂焊縫的成因，采用能譜儀對三種焊接情況下的焊趾和焊縫（圖6）表面的化學成份進行分析，具體數據見表3。

表3 焊縫與焊趾表面化學成分（ω） %

圖6 焊縫及焊趾位置示意

可以得出：①全部用正確的5A03的焊絲的焊縫和焊趾處，未檢測出Cu元素；②焊接時定位點和滿焊時都用錯成2A10鋁絲的焊縫和焊趾處Cu含量遠高于全用5A03的焊絲處的值；③焊接時定位點用錯成2A10鋁絲而滿焊為5A03的焊縫和焊趾處同樣能檢測出Cu含量，且高于全用5A03的焊絲處的值；④錯用成2A10鋁絲焊接時的焊趾處的Cu含量高于焊縫處的Cu含量。

說明焊接時在高溫的作用下，2A10定位點與母材5A02產生重熔，形成新的熔池。焊接時，用2A10鋁絲焊接5A02防銹鋁管形成的焊縫和焊趾處的Cu含量明顯高于用5A03焊絲焊接5A02防銹鋁管處得到的Cu含量，銅含量偏高會導致焊縫結晶熱裂紋的產生。Cu含量高需要引起特別的關注。

2.3 焊縫斷口分析

為了進一步研究焊接材料對試樣組織和性能的影響，特選取抗拉強度和延伸率均為最低的2-1試樣進行斷口形貌分析。

將試樣斷口置于掃描電鏡下進行微觀形貌觀察，結果如圖7所示。低倍下可見斷口上存在一明顯缺陷，尺寸約為0.8 mm×0.7 mm，整體呈凹陷小塊狀，存在多個方向的小刻面。斷口其他區域較為平整，未見明顯異常。高倍下觀察發現，在斷口的上半區域可觀察到韌窩形貌，缺陷周圍及斷口下半區域可見沿晶脆性形貌且晶面呈熔融形貌，說明焊縫組織出現了過燒現象，表明焊接時能量輸入過高。對斷口韌窩、沿晶部位和缺陷部位進行能譜成分檢測，數據如表4所示，結果顯示缺陷區域除含有大量的Al元素外，還有一定量的O、Cu、Fe元素，未發現大量異常的金屬元素及大量O元素，排除其為異金屬夾雜，推測其為焊接熱裂紋、疏松等焊接缺陷；而韌窩和沿晶區域成分大體一致，除含大量Al元素外還有一定量的Mg、Cu、O元素，兩者相比可見缺陷區域Cu含量比其他區域高。

圖7 試樣斷口顯微形貌

表4 焊縫斷口能譜檢測結果（ω） %

為了得到良好的焊接接頭，應從焊接構件使用要求進行考慮，選擇適合于母材的焊絲作為填充材料，目前，鋁合金常見的焊絲大多是與基體金屬成分相近的標準牌號焊絲。由上文可知，2-1試樣母材為5A02，屬Al-Mg系防銹鋁合金，而鋁絲2A10為Al-Cu-Mg系硬鋁合金，兩者成分差異較大，其中2A10中Mg含量較低；在鋁合金焊接過程后期，主合金元素鋁很容易和鎂、銅等微量元素反應生成低熔點共晶化合物。在焊縫金屬凝固結晶的后期，低熔共晶化合物分布于晶間，形成一種所謂的“液態薄膜”，嚴重降低了晶間結合力。此時由于在冷卻時收縮量較大而得不到自由收縮產生較大的拉伸應力，液態薄膜形成了較為薄弱的區域，在拉伸應力的作用下就可能在薄弱地帶開裂而形成裂紋。因此2-1試樣抗拉強度和延伸率低且在拉伸后在焊縫中發生斷裂，主要與其焊縫中存在焊接缺陷有關，而焊接缺陷的產生應與母材和焊絲匹配不當相關，特別是Al-Mg-Cu在微區偏析結合，提高了焊接時裂紋敏感性，促進了裂紋的產生。

3 結論

（1）5A02導管焊接時應選用匹配的5A03焊絲，若錯用成2A10鋁絲，會因為2A10材料有很高的裂紋敏感性，導致焊接部位缺陷，引起焊接開裂。

（2）5A02導管焊接時，若錯用成2A10鋁絲，焊接部位銅含量會增加，銅含量達到一定值，拉伸強度明顯降低，斷裂位置均在焊趾處。