某发射集装箱5A06铝合金T I G焊接工艺研究

赵喜磊，王 勇，李翔宇

（郑州机电工程研究所，河南 郑州450015）

0 前言

5A06铝合金属于变形铝合金中的一类，它是不可热处理强化的铝合金，为Al-Mg系防锈铝，5A06铝合金具有较高的强度和腐蚀稳定性，在退火和挤压状态下塑性尚好，焊接性能良好，易达到高强度的焊接接头，可切削性能良好。因此5A06铝合金在船舶领域中应用十分广泛[1]。5A06铝合金焊接方式有多种，但采用钨极氩弧焊（tungsten inert gas welding，TIG），由于设备成本比较低，易于操作等特点，目前在生产制造中仍在广泛应用并居主流地位[2]。

某发射集装箱主要由金属骨架及复合材料包覆而成，其金属骨架为5A06材料机加及焊接成型，该产品力学性能指标高，且对焊缝质量要求高：对接接头的抗拉强度不低于300 MPa，焊接接头等级达到国军标（GJB294A-2005）中规定Ⅱ级接头标准，对所有焊件进行射线探伤，焊缝向母材光滑过渡，无明显咬边及过多余高，焊缝各层之间应完全融合，不应有裂纹、未焊透、未融合。因此本研究就产品焊缝接头新式，采用TIG焊接，研究了焊接工艺参数及其焊接接头性能，为生产提供了可靠的理论依据。

1 焊接试验

1.1 试验材料

采购某厂生产的5A06铝合金作为母材，并采用TIG焊接对角接头试件母板300 mm×100 mm×15 mm，腹板300 mm×70 mm×6 mm；对接接头两块300 mm×100 mm×18/15 mm。母材化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 母材化学成分

表2 母材的力学性能

1.2 试验方法

焊接试件分别进行双V型对接接头和角接接头单面角焊缝模拟试件。焊前将试样依次进行除油（超声波清洗，温度40℃ ～60℃，时间5～7 min），除氧化膜（碱洗：5%～10%NaOH溶液，50℃～70℃，浸泡5 min～7 min；水洗：流动清水冲洗1 min～2 min；酸洗：30%HNO3水溶液，室温，浸泡 3 min ～ 5 min；水洗：流动冷水冲洗+热水冲洗），预热（在烤箱中加热至80℃～100℃，保持1 h），丙酮擦拭（焊缝及焊缝边缘50 mm以内的范围擦拭），加热烘烤（使用乙炔氧火焰烘烤坡口处1 min～2 min，同时使用红外测温仪监测温度不超过120±30℃），打磨（用不锈钢钢丝刷打磨后方可进行焊接）。焊接环境要求相对封闭车间并配备换气除烟设备、温度不低于15℃、湿度不超过50%。并进行焊后退火去应力（退火温度为150～180℃，保温120～150 min，随炉冷却）。

试验采用伊萨TIG4300i焊机进行焊接。主要从优化工艺参数方面来消除焊缝内部气孔，以达到改善焊缝质量。试样一工艺参数为：直径3 mm焊丝AlMg5、电流260～300 A、气流量10～15 L/min。试样二工艺参数为：直径3 mm焊丝AlMg6、电流200～240 A、气流量 24～30 L/min。

2 试验结果及讨论

2.1 焊接接头质量检测

分别对工艺一和工艺二的焊接试样进行检测。如图1焊接式样图。

图1 焊接试样图

（1）焊缝外观检查

两工艺的焊接试样外观均无明显缺陷，试板整体形貌方面，焊缝周围受焊接热影响发生部分形变弯曲。

（2）焊缝的X射线检测

采用X射线分别对两种工艺的焊接试样进行探伤，工艺一的焊缝区域出现焊接气孔，工艺二焊缝区内部无裂纹、未焊透、未融合、气孔等焊接缺陷（图2工艺一焊接射线图和图3工艺二焊接射线图）。针对工艺一焊缝中气孔出现的原因可能包括以下几个方面。

图2 工艺一焊接射线图

图3 工艺二焊接射线图

1）母材及焊丝表面残留的氧化物会吸收空气中的水分，水分在高温下分解出氢气残留于焊缝形成氢气孔。

2）保护气体不当，使空气进入熔池，并残存下来成为气孔。

3）焊缝中低熔点高蒸气压的Mg和Zn等元素的蒸发形成气泡，气泡来不及溢出二形成气孔[3]。

（3）显微组织分析

接头主要分为焊缝、热影响区和母材3个部分金属显微组织。两种工艺的焊缝及其热影响区在冷却时晶界上均有析出相产生（图4显微组织图），且由于焊接加热过程中热作用的影响，焊接热影响区组织比较粗大，并且晶粒大小不均匀。

图4 显微组织图

2.2 对接接头的力学性能分析

两种工艺强度对比如表3所示。

表3 对接接头力学性能检测结果

根据拉伸试验结果可知，焊接工艺二的拉伸强度高于焊接工艺一焊接的接头。其中工艺一的对接接头平均抗拉强度只达到265 MPa不满足指标要求，延伸率达到8.5%，并且弯曲试验正弯和侧弯试验在焊缝处断裂，根部有大面积未焊透和大量的气孔；工艺二的对接接头平均抗拉强度达到336 MPa满足指标要求，延伸率达到14.3%，正弯、侧弯试件均合格，未出现裂纹。如图5测试结果图。

（续下图）

（接上图）

图5 测试结果图

2.3 角接头的检测结果

工艺一角接头试件：角焊缝沿焊缝长度折断时，用放大镜目视观测断面，断口表面有裂纹、气孔、气渣现象，不符合GJB294A中规定Ⅱ级接头标准。

工艺二角接头试件：角焊缝沿焊缝长度折断时，用放大镜目视观测断面，断口表面无裂纹、未融合、明显的气孔和夹渣，符合GJB294A中规定Ⅱ级接头标准。

3 结论

（1）在环境参数不变的情况下，采用焊接工艺参数（直径3 mm焊丝AlMg6、电流200～240 A、气流量24～30 L/min）焊接的整批产品，经过X射线探伤，焊缝内部无裂纹、夹渣、无气孔等焊接缺陷，其焊缝外观、内部质量均满足产品的使用要求。

（2）拉伸测试时，接头均断裂于焊缝处，断口形貌为韧性断裂。焊缝中存在的宏观气孔减小了焊缝拉伸测试时的受力面积，导致接头断裂于焊缝处。