5A06铝合金MIG焊接工艺研究

赵 征，苏生华，杨 靖

(航天科工集团二院 210所，陕西 西安 710065)

5A06铝合金MIG焊接工艺研究

赵 征，苏生华，杨 靖

(航天科工集团二院 210所，陕西 西安 710065)

采用脉冲MIG焊，通过对焊前准备、焊接方法、焊接材料、焊接规范等方面进行的试验和分析，确定了5A06－H112铝合金板(δ＝5 mm)拼焊工艺规范。结果表明，合理的焊接工艺规范能够有效控制焊缝的成形和焊接气孔的产生。

5A06－H112铝合金；脉冲MIG；焊接工艺

0 前言

铝合金具有较高的比强度、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，并且工艺成形性和焊接性能良好，因此成为在航天工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。我国研制的各种大型运载火箭广泛选用铝合金作为主要结构材料，各类设备的贮存箱、乘务员舱等也都采用铝合金作为结构材料[1]。焊接作为一种材料连接技术，随着设备结构的进一步大型化和复杂化，对材料和工艺技术的发展都提出了更高的要求。如何实现高质量和高可靠性的焊接工艺，一直是人们关注和研究的主要问题[1]。

随着焊接技术的发展，越来越多的焊接方法如激光焊、搅拌摩擦焊、电阻焊和脉冲熔化极气体保护焊等逐渐应用到铝合金焊接中[2－3]。考虑到生产成本、工艺水平等综合因素，脉冲MIG焊以其成熟稳定的技术、良好的焊缝质量、广泛的工艺适用性和易于实现自动化等特点，应用越来越广泛。本研究针对5A06铝合金(δ＝5 mm)MIG焊接进行了试验，讨论焊接工艺规范、焊接气孔控制、焊缝成形等。

1 焊接试验

试验采用基体材料为Al－Mg系的5A06铝合金，材料状态为H112，试板厚度5 mm；焊接填充材料为ER5356焊丝，直径φ 1.6 mm，保护气体为纯度99.99%的氩气。

1.1 被焊材料

5A06－H112铝合金名义成分和试样成分实测结果如表1所示，它是Al－Mg系变形铝合金，为冷作硬化状态。焊前不制作焊接坡口。

表1 5A06－H112铝合金化学成分 %

1.2 填充材料

填充材料选用ER5356焊丝，化学成分见表2。

表2 ER5356填充材料化学成分 %

1.3 焊接设备及工艺

采用MIGATRONIC公司的Sigma400焊机，配合CZ12－3×3焊接操作机和MWF41送丝机进行。焊接设备如图1所示。

图1 焊接试验设备

铝合金焊接前，先用丙酮进行清洗，待丙酮挥发后，再用风动不锈钢丝轮清除坡口表面的氧化膜，然后用干净的棉纱擦拭干净。焊丝在焊前也要经过丙酮擦拭，以清除其表面灰尘、水分油污等杂物。

焊接工艺如表3所示。

表3 5A06(5 mm)MIG焊焊接工艺规范

2 试验结果及分析

焊接试件如图2所示。

图2 5A06铝合金MIG焊接试样

对焊接试板进行X射线探伤，按QJ176A－99《地面设备熔焊通用技术条件》评定焊缝，结果见表4。

表4 铝合金焊缝X射线检测结果

对焊接试板进行力学性能实验，采用GB/T 2651－1989进行了机械性能测试，接头力学性能稳定。测试结果如表5所示。对焊接变形量进行了统计试验，部分结果如表6所示。

2.1 焊接规范对焊缝中气孔的控制

铝合金对于气孔有着最大的敏感性，而氢是铝和铝合金熔焊时产生气孔的主要原因[4]。相同的氢含量引起的气孔危害，铝合金比钢的焊缝要严重得多。氢之所以能使焊缝形成气孔，主要是因为氢在铝合金中的溶解度会发生突变。在平衡状态，氢在铝及铝合金中的溶解度在凝固点时可以从0.69 ml/100 g突降到 0.036 ml/100 g。而且，铝的导热性很强，在相同工艺条件下，铝熔合区的冷却速度为钢的4～7倍，不利于气泡的逸出，更容易形成气孔。

表5 焊接试样拉伸强度

表6 焊接收缩量

由于焊缝中的氢主要来自母材和填充材料表面粘附或吸附的水分、有机物、腐蚀生成物等，或由母材和填充材料中固溶而来，以及从保护气体和电弧气氛中侵入。所以，控制气孔的产生必须从基材及填充材料的表面条件、保护气体纯度、焊接工艺参数等方面入手。

首先，焊前必须使用NaOH和丙酮认真清理焊接部位，然后使用不锈钢丝刷打磨，直至露出金属光泽。而且，Ar气纯度达到99.99%，按GB4842严格控制保护气体中的水分等含量，以确保焊接质量。

其次，由于MIG焊采用焊丝作为焊接电极和填充金属，可采用高密度电流，母材熔深大，熔敷速度快，易于实现自动化，而且其焊缝的疲劳强度明显优于TIG焊接头。但是，TIG焊时，主要是熔池金属表面与气体氢反应；而MIG焊时，焊丝以细小熔滴形式过渡，弧柱温度高，熔滴比表面积很大，熔滴金属显然更易吸附氢。同时，MIG焊熔池较一般TIG焊深，又不利于气泡的溢出。所以在相同条件下，MIG焊气孔倾向较TIG焊大。测试结果表明，在MIG焊焊缝中，大多存在一定数量的气孔。但当工艺规范较为合理时，由于焊接速度较快，铝合金的冷却速度也较快，在快速冷却时，大量分布于细小枝晶之间的气泡不能像晶体生长得那么快，也不能产生足够的浮力逸出熔池，这样孤立的小气泡就陷于晶体中作为细小的气孔被保留下来。但焊缝仍具有较好的内部质量。

2.2 焊接规范对焊缝成形的影响

焊接过程中，在形成适量母材熔化量的条件下，提高熔敷速度可以提高焊接速度，避免出现烧穿、熔池下塌现象。MIG焊是高效率的焊接工艺，如果采用直流且焊丝为正极的脉冲MIG焊，焊丝熔化速度与焊接电流成正比。因此如果加大熔敷速度，相应就要提高焊丝熔化速度，即加大焊接电流，结果将会出现烧穿及熔池下塌现象。而焊接电流小，焊缝熔深浅，焊缝不饱满，外观不合格。所以，工艺参数的相互匹配成为影响焊缝成形的重要因素[5]。

由于焊缝成形对工艺参数的变化非常敏感，所以必须严格控制过程中的线能量输入。焊接过程中控制线能量通常可选择采用电弧稳定的电源，并控制焊接速度或者送丝速度来控制焊缝成形。由于采用高频脉冲MIG焊，利用高频脉冲电流的电磁收缩效应提高了电弧的稳定性和挺直性，并增强了能量密度。其占空比、频率等分别可调，可精确控制电弧能量及其分布，易获得均匀的熔深和均匀焊透的焊缝根部；由于采用波形稳定的脉冲电流，可获得稳定的电弧线能量输入；间歇时间的存在将明显减小对焊件的热输入，增长熔池冷却时间，减小焊件上的热积累，提高焊缝抗烧穿和熔池保持能力，减小焊接热影响区和焊件的变形。所以，设备能力保证了能够通过控制焊接速度来控制焊缝成形。

试验证实，为获得稳定的焊接过程，送丝速度必须与熔化速度相匹配。低的送丝速度可能引起电弧回烧；高的送丝速度会造成短路，引起飞溅。而焊接电流减小时，焊丝熔化系数增加，焊缝熔深明显减小。当焊机脉冲比例调整，使用焊丝为正极的脉冲MIG焊(DCEP PMIG)时，焊缝熔深最大，焊丝熔化系数最小，熔敷速度最小。

对于铝焊丝，通常在一个脉冲周期内

式中 v为送丝速度；v(t)为瞬时熔化率；vp为峰值熔化率；vb为基值熔化率；f为脉冲频率；Tp为峰值时间；Tb为基值时间。显然，焊接电流脉冲占空比对于维持稳定的焊接电弧具有显著的影响[6－7]。通过调整焊机的脉冲比例和操作机的行走速度，最终可以获得成形稳定美观的焊缝。

2.3 焊接过程中变形量的统计试验

焊接应力与变形的产生机理是：焊接过程中的点状热源加热，在被焊工件中造成了热源附近温度很高、远离热源的区域温度较低的不均匀温度场。当焊缝金属降温收缩时，由于受到临近母材的限制，焊缝中拉应力随收缩量的增加而上升，最终达到材料的屈服极限(由于这时温度较高，屈服极限较低)，焊缝区金属屈服变形，应力值维持一个较低的水平。但只是超过屈服极限的那部分应力可以通过这种调整而得以释放。当焊缝区降至室温时，仍受到母材的完全拘束而不能运动，其中就将残留接近屈服强度的拉应力，相应的在工件中远离焊缝的区域就会残留与之平衡的压应力。由于试验过程中工件受结构形式的约束较小，残余应力可以通过引起工件的形变而得以释放，焊接残余变形产生了较大的焊接收缩。另外，近缝区母材的收缩也有增大残余变形的趋势。试验结果表明，焊接间隙对焊缝反面成形影响较大。间隙过小，焊缝反面成形不佳。通过工艺试验，认为2mm间隙较为合适。在2 mm焊接间隙、5 mm厚度的材料MIG焊接条件下，纵向焊接收缩量大约为0.3 mm/m，横向收缩量为 1.5 mm。

3 结论

通过焊接工艺试验，得到5A06－H112铝合金板的蒙皮拼焊工艺，包括焊前清理、焊接材料、工艺参数等。经实验证明，焊接工艺切实可行，满足5A06铝合金的拼焊要求。结果表明，合理的焊接工艺规范可以有效控制焊缝的成形和焊接气孔的产生。

[1]姜银方，杨继昌，陈 炜，等.铝合金拼焊板技术研究进展[J].农业机械学报，2004，35(2)：163－167.

[2]邓升斌，狄 欧，何建国，等.LF6铝合金薄板搅拌摩擦焊工艺研究[J].热加工工艺，2004(12)：29－30.

[3]戴文辉.5A06－O铝合金蒙皮的拼焊工艺[J].电焊机，2004，34(4)：27－29.

[4]李敬勇，章明明，赵 勇.铝合金MIG焊焊缝中气孔的控制[J].华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2004，18(5)：78－81.

[5]杭争翔，殷树言，宋 政.交流脉冲MIG焊接铝合金薄板的工艺特性[J].焊接学报，2004，25(2)：99－106.

[6]Subramaniam S White，D R ，Jones J E，et al.Experiment approach to selection of pulsing parameters in pulsed GMAW[J].Welding Journal，1999(5)：166－172.

[7]马 德，殷树言，刘 嘉，等.脉冲MIG焊铝工艺特性的研究[J].电焊机，2004，34(5)：44－46.

Study on MIG welding process of 5A06 aluminum alloy

ZHAO Zheng，SU Sheng-hua，YANG Jing
(No.210 Institute，The Second Academy of China Aerospace Science ＆ Industry Corp.，Xi'an 710065，China)

This paper focused on the welding process of aluminum alloy 5A06－H112 with 5 mm in thickness.The process investigation covers specialties of welding material selection，pre-welding preparations，welding parameters'regulation.The results show that the designed process can meet the specifications of aluminum alloy 5A06－H112.

aluminum alloy；pulse MIG；welding process

TG457.1

A

1001－2303(2011)01－0070－03

2010－08－18

赵 征(1972—)，男，陕西人，高级工程师，硕士，主要从事焊接材料、焊接变形控制方面的研究工作。