铝合金薄壁管斜对接TIG焊工艺优化

朱双龙，周永东，吴宪宏

中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

7020铝合金具有较高的强度、良好的焊接性和工艺性，属于中高强Al-Zn-Mg合金，是航空设备以及地面车辆装备的主要焊接结构材料[1]。随着我国电力机车、高速动车组、城轨车辆的发展，为了满足列车的高强度及轻量化运行需求，动车车辆、机车车辆及城轨车辆的受电弓均采用了7020铝合金。

7020铝合金薄壁管对接TIG焊在焊接过程中有很大的难度，对焊接工艺和焊工技能水平有很高的要求。而电力机车受电弓上的斜对接焊接接头，由于在整个焊接过程中接头形式、焊接位置和实际壁厚都在不断变化，焊接难度更高，很容易出现焊接缺陷[2]，为此需要通过持续的焊接工艺优化来保证焊接质量。

2 焊接工艺

（1）接头形式 母材材质为7020T6，规格为ϕ60mm×3mm，采用铣床加工出50°的斜面，保证管斜对接时两管夹角为100°，开60°V形坡口，装配间隙1~2mm，钝边1mm，接头如图1所示，要求单面焊双面成形。

（2）焊接工艺 首先，焊前使用丙酮清洗铝管表面油污后，采用不锈钢钢丝轮进行抛光去除铝管表面氧化皮。

其次，采用交流TIG焊的焊接方法，具有很好的阴极清理作用[3]；由于该处焊缝为关键焊缝，为有效保证焊接质量，尽可能降低产生气孔的风险，选用高纯度的氩气作为保护气；在焊接时，工件固定，焊工通过不断调整焊接位置完成焊接，焊完一半后翻转工件再焊接另外一半，焊接参数见表1。

表1 焊接参数

最后，焊后用不锈钢钢丝刷去除焊缝及母材表面的黑皮，焊缝外观如图2所示。

图1 接头

图2 焊缝外观

3 焊接缺陷及原因分析

（1）焊接缺陷 该焊缝接头为环焊缝，为有效检查环焊缝内部情况，选取整个环焊缝焊接接头，沿着截面剖切，平行焊缝轴线进行截取，经目视检测发现焊缝背部存在未焊透、成形不良及焊瘤等缺陷，如图3所示。按照ISO 10042《铝及铝合金的熔化焊接头缺陷质量分级》要求，未焊透及连续的成形不良均属不允许的缺陷，而图3中连续的未焊透缺陷严重影响产品的使用安全。

图3 焊接缺陷

（2）原因分析 首先，由于管斜对接时，坡口形式比较特殊，机械加工坡口难度很高，只能使用砂轮机手工修磨出坡口，从而导致坡口各位置尺寸不一致，在装配时存在错边（见图4）、间隙不一致（见图5）的问题，导致焊接过程不稳定，影响焊缝背面成形。

图4 装配错边

图5 间隙不一致

其次，管斜对接的坡口形式在整个焊接过程中实际的母材厚度在不断变化，最大壁厚为4.67mm，最小壁厚为3mm，因此采用同样的焊接参数焊接时，在壁厚较厚处难以焊透。

最后，现有铝管的单面焊双面成形焊接工艺开了坡口，但背部无气体和垫板保护，非常容易在焊缝背部形成气孔、缩沟。

4 焊接工艺优化过程

（1）坡口优化 由于管斜对接V形坡口的特殊性，管截面呈椭圆形，目前无合适的加工设备及加工方法制备出坡口面角度、钝边一致的坡口，采用手工修磨坡口容易导致坡口面角度、钝边超标且严重不一致，后续装配时容易导致间隙过大，错边超标。因此，为彻底解决该问题，采用不开坡口不留间隙的工艺进行装配焊接，如图6所示。

图6 不开坡口不留间隙装配

（2）工艺参数优化 首先，针对焊接过程中母材厚度不一致的问题，将焊丝直径由ϕ2.0mm更改为ϕ3.2mm，提升焊缝的熔合性和焊透性，同时提升了焊接速度，熔敷效率更高[4]。

其次，以前的焊接工艺在焊接参数制定时仅考虑了焊接电流，未考虑环焊缝存在实际母材厚度变化的情况，起弧位置不容易焊透。本次工艺优化时充分考虑上述情况，优化引弧电流、焊接电流和熄弧电流，经过多次验证，引弧电流设置为160~170A，焊接电流120~130A，熄弧电流30~35A，优化后的焊接参数见表2。

表2 优化后的焊接参数

（3）工艺验证 工艺验证步骤如下：

1）验证优化后的工艺焊接标准试件的可行性，即采用两件ϕ60mm×3mm×300mm的7020T6试件，不开坡口、不留间隙进行装配，按照新工艺进行焊接，焊后焊缝外观和背面成形均良好，如图7所示。

图7 标准接头背面成形

2）采用优化后的工艺焊接9件斜对接接头，焊缝外观成形良好（见图8），根部全部焊透（见图9），且无其他焊接缺陷，经多个试件测量，焊缝背部余高均≤2.4mm（焊缝宽度为6mm），符合ISO 10042-C标准中对焊缝余高的要求。

图8 斜对接接头外观成形

图9 根部全部焊透

3）由于该接头形式为非标接头，无法通过力学性能试验验证接头强度，因此制作了不开坡口的标准接头试件，按照优化后的焊接工艺进行焊接，然后加工成标准的拉伸试样进行强度试验。此外，为了比较工艺优化前后的强度情况，制作了原开V形接头的试样作为对比试件（见图10），以验证强度的变化。工艺优化前后抗拉强度对比见表3。

图10 对比试件

根据ISO 15614-2，7020-T6铝合金对接焊接头的抗拉强度效率为0.75，即焊后接头抗拉强度应≥350×0.75MPa=262.5MPa。由表3可以看出，开坡口与未开坡口的试件焊接接头强度均满足要求，且未开坡口的接头强度略高于未开坡口的接头。

表3 工艺优化前后焊接接头抗拉强度对比

4）由于新工艺直接取消了V形坡口的制备，每件可节约15min的工时；同时I形坡口不留间隙装配相比原工艺，既缩短了装配时间，又显著提高了装配质量；此外，选用更粗直径的焊丝，熔敷效率更高，焊接速度也得到了提升。综上所述，通过新工艺的实施，焊接效率提高了40%。

5 结束语

1）通过改善接头坡口形式，增大焊丝直径、优化焊接参数等措施，不但有效地解决了7020铝合金薄壁管斜对接TIG焊接头中出现的未焊透、焊瘤、熔合不良及背部成形差的缺陷问题，而且在一定程度上提高了接头的强度，同时新工艺能带来显著的焊接效率的提升。

2）目前在焊接7020铝合金薄壁管材对接接头时，普遍采用了开坡口和预留间隙的方法，坡口加工和接头装配费时费力，而本文为此类接头不开坡口不留间隙焊接提供了可靠的依据，并且接头质量更优。

3）7020铝合金薄壁管材在制定焊接工艺时应多做比较，进而选择最适宜的焊丝规格，焊接参数制定时应重点设置起弧电流，确保起弧位置焊透。