5A06 鋁合金不同焊接位置焊接工藝參數研究

陳 玲，周林軍，李 崗

（四川化工職業技術學院，四川 瀘州 646009）

0 引言

5A06 為Al-Mg 系防銹鋁，主要合金元素為鎂，具有良好的抗蝕性[1]。優良的抗腐蝕性能使5A06 合金廣泛用于海事用途如船舶，以及汽車、飛機焊接件、地鐵輕軌，需嚴格防火的壓力容器（如液體罐車、冷藏車、冷藏集裝箱）、制冷裝置、電視塔、鉆探設備、交通運輸設備、導彈零件、裝甲等[2-5]。雖然5A06 鋁合金在結構焊接上運用較多，但一般采用的是平焊工藝，而對其他位置焊接的焊接工藝和接頭性能研究較少，當結構在使用時需要維修，其焊補工作會有其他焊接位置，金屬熔池在結晶時受到重力和表面張力影響，在其他焊接位置，如果采取和平焊相同的焊接工藝，焊縫不能成型或出現缺陷，因此有必要開展5A06 防銹鋁合金各種位置焊接接頭質量的研究，為5A06 鋁合金焊接工藝選取提供參考。

1 焊接方法和焊接材料選擇

鋁合金焊接多采用鎢極氬弧焊、電子束焊、等離子弧焊等焊接方法，對焊接結構件的修復多采用鎢極氬弧焊，因此本試驗采用時代交流鎢極氬弧焊（型號WSM-400PNE61-400P）進行焊接，母材厚度5 mm，為保證焊縫性能和母材匹配，選擇成分和母材匹配的ER1100 焊絲。5A06 鋁合金和焊材化學成分見表1 和表2。

表1 5A06 鋁合金化學成分

表2 ER1100 焊接材料化學成分

2 焊接試驗

2.1 試驗

試樣尺寸250 mm × 150 mm × 5 mm，開I 型坡口，焊前，為防止試件表面雜質造成焊縫產生氣孔和夾雜，采用直磨機和不銹鋼鋼絲刷清理焊縫母材和坡口兩側20 ～30 mm 氧化膜，直至露出金屬光澤，然后用丙酮清理坡口、焊絲表面的雜質。

為了探索不同位置焊接電流、焊接速度對焊接成型的影響，平焊、橫焊、立焊各采用三組不同焊接電流、電弧電壓、氬氣流量參數進行焊接，焊接2 層，第一層和第二層焊接參數不變，裝配間隙2 mm。焊接時，用100%Ar 氣為保護氣體，左焊法，鈰鎢極直徑2.5 mm，焊接速度50 mm/min。具體焊接參數見表3。試件焊接后如圖1 所示。

圖1 平焊工藝表面成型

表3 不同焊接位置焊接參數對成型的影響

2.2 試驗結果

由表3、圖1、圖2、圖3 可知：

圖2 立焊工藝表面成型

圖3 橫焊工藝表面成型

試件1-1、2-1 和3-2 表面有氣孔和咬邊缺陷，三組試件焊接參數與相同位置其他兩組焊接參數比較可知，隨著焊接電流增加，但氣體流量減小，氣體對熔池金屬保護效果變差，5A06 鋁合金產生氣孔和咬邊缺陷的可能性增加。

試件1-3、2-3 和3-3 有未熔合、未焊透缺陷，三組試件焊接參數與相同位置其他兩組焊接參數比較可知，由于焊接電流減小，焊接時試件產生未熔合和未焊透等焊接缺陷。

試件1-2、2-2 和3-1 表面成型良好，未見氣孔、咬邊、未熔合和未焊透等焊接缺陷。

由此可見采用GTAW 方法焊接5A06 鋁合金，選用鎢極直徑2.5 mm，焊接速度50 mm/min 時，平焊焊接電流100 A，氣體流量10 L/min，電弧電壓16 V；立焊焊接電流90 A，氣體流量9 L/min，電弧電壓16 V；橫焊焊接電流90 A，氣體流量9 L/min，電弧電壓16 V，三組參數均能確保對應位置焊接時焊縫表面成型良好，沒有缺陷出現。

平焊焊接電流和氣體流量比立焊和橫焊大，因為立焊和橫焊時熔池金屬受重力影響下榻，電流過大，熔化金屬越多，焊縫成型會受到影響，缺陷產生的可能性增加，因此，立焊和橫焊的焊接電流比平焊小，熔池金屬減少，需要保護氣體流量減少。

2.3 金相分析

用NaOH 10 g，蒸餾水90 ml 配成溶液，在65 ℃侵蝕7 min，最后用5%HNO3水溶液清洗后，通過金相顯微鏡觀察試樣組織，焊縫組織如圖4、圖5、圖6 所示。

圖4 平焊焊縫金相組織

圖5 橫焊焊焊縫金相組織

圖6 立焊焊焊縫金相組織

5A06 鋁合金合金的母材金相組織是由α（Al）固溶體、β 相+不溶雜質相組成[6]，由圖4（a）、圖5（a）、圖6（a）中可見，母材組織呈等軸晶狀，以白色α（Al）固溶體為基體，暗色斑點β 相+不溶雜質相均勻分布在α（Al）固溶體基體上，β 相和不熔雜質有局部長大聚集現象，分布于α（Al）固溶體基體上。

由圖4、圖5、圖6 中b）可見，焊接后5A06 鋁合金焊縫區域的金相組織還是由α（Al）固溶體、β 相+不溶雜質相組成，焊縫組織為母材和填充金屬熔合后的鑄態組織，晶粒大小均勻，暗色斑點β 相+不溶雜質相彌散粒子均勻分布在α（Al）固溶體基體上，但在形態上發生了改變，β 相和不溶雜質的聚集比母材減少，組織呈現條狀或帶狀特征，是由于5A06 鋁合金中有Ti、α（Al）固溶體和β 相形成的共晶體，由于焊接電弧的熱作用，會使5A06 鋁合金重熔后再結晶，Al-Mg 共晶溫度為450 ℃[7]，由于采用的是焊補常用的鎢極氬弧焊，金屬由液態變為固態的過程中，在共晶溫度停留的時間較長，延長了Al-Mg 共晶形成的時間，促進了金屬金屬化合物長大，同時，焊接時，焊縫不同區域過冷度不一樣，在焊縫由液態變結晶為固態的過程中，不再形成等軸晶，而形成的條狀或帶狀特征。

由圖4、圖5、圖6 可見，母材晶粒為細小等軸晶，焊縫為條狀或帶狀晶粒，母材比焊縫晶粒細小，因為鎢極氬弧焊焊接時熱量沒有高能束焊接方法集中性好，所以焊縫區域受熱較大，導致冷卻速度緩慢，因此焊縫晶粒較母材粗大，此外焊接時填充材料的加入，導致焊縫和母材成分有差別，也是找出晶粒大小不同的因素，作者將在后續試驗繼續研究。

3 硬度測試

硬度是衡量金屬軟硬程度的指標，通常情況下，硬度越高材料的強度越大，因此可采用焊接接頭硬度值間接反應出5A06 鋁合金的力學性能。采用維氏硬度計測試5A06 鋁合金平焊、立焊和橫焊三種焊接位置的焊接接頭硬度值，焊縫中心開始每隔1 mm 取1個點，依次在焊縫和母材上取5 個點，接頭顯微硬度曲線如圖7 所示。由圖可知，三種焊接位置的焊縫區域硬度均較熱影響區低，離靠近焊縫的熱影響區域硬度，比其他位置母材硬度低，因為5A06 鋁合金中，主要強化力學性能的元素是Mn 和Mg，而在焊接過程中Mn 和Mg 元素受到焊接電弧高溫燒損，因此由Mn和Mg 產生的強化作用減弱，導致焊縫區域硬度比母材硬度低[8]，熱影響區中，越靠近焊縫區域Mn 和Mg元素燒損比遠離焊縫區域嚴重，因此靠近焊縫區域的熱影響區硬度較遠離焊縫區域硬度低。

圖7 接頭顯微硬度

由表4 可知，試驗結果表面平焊焊縫的平均硬度75.44，較立焊75.48 小0.05%，較橫焊76.32 小1.15%，立焊較橫焊小1.1%，平焊母材（含熱影響區）平均硬度83.52，較立焊小85.882.75%，較橫焊85.94小2.82%，立焊較橫焊小0.07%，焊接電流越大，焊縫中強化力學性能的合金元素燒損越嚴重，硬度越低，本次實驗平焊的焊接電流比橫焊、立焊大，合金元素燒損較立焊和橫焊多，平焊焊接接頭的維氏硬度應比立焊和橫焊小，但硬度值差別較小，因為立焊焊接電流100 A 與立焊和橫焊焊接電流90 A 差別小，合金元素燒損不明顯，因此硬度差別不大，立焊和橫焊焊接電流一樣，因此顯微硬度應無明顯差別。

表4 焊接接頭平均維氏硬度

4 結論

由此可見，采用GTAW 方法焊接5A06 鋁合金，選用鎢極直徑2.5 mm，焊接速度50 mm/min 時，平焊焊接電流100 A，氣體流量10 L/min，電弧電壓16 V，立焊焊接電流90 A，氣體流量9 L/min，電弧電壓16 V；橫焊焊接電流90 A，氣體流量9 L/min，電弧電壓16 V，均能確保對應焊接位置焊縫表面成型良好，沒有缺陷出現；平焊、立焊和橫焊后，5A06 鋁合金焊縫金相組織類型沒有發生變化，由α（Al）固溶體、β相+不溶雜質相組成，由于采用鎢極氬弧焊進行焊接，焊縫冷卻速度慢，焊縫晶粒較母材大，延長了Al-Mg 共晶形成的時間，促進了金屬金屬化合物長大，焊接時，焊縫不同區域過冷度不一樣，焊縫組織呈現帶狀或條狀；由于焊接過程中5A06 鋁合金強化力學性能元素Mn 和Mg 受到高溫電弧作用被燒損，因此三種焊接位置焊縫硬度均比母材低；平焊時焊接電流比橫焊和立焊大，因此平焊焊接區域Mn 和Mg 元素燒損比立焊和橫焊大，平焊焊縫硬度比立焊和橫焊低，但由于焊接電流差別較小，硬度差值不大。