朱佳華，高友價(jià)，吳國鋒，郭凱，胡俊

常德翔宇設(shè)備制造有限公司 湖南常德 415000

1 序言

管軸是一種用管子和閥門等結(jié)構(gòu)件連接而成的用于輸送氣體、液體或摻雜有固體顆粒的流體裝置。流體經(jīng)壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵和鍋爐等增壓處理后，由管道高壓處流向低壓處，有時(shí)可憑借流體自身壓力或重力輸送。管軸廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離輸送石油和天然氣、水力工程、農(nóng)業(yè)灌溉等民生領(lǐng)域。

一種瓢形管軸的橫截面形狀如圖1所示。該瓢形管軸是應(yīng)用于某特殊領(lǐng)域的管狀零件，既有壓力管道的作用，又具備導(dǎo)向軸的功能。正常工作時(shí)連接兩個(gè)帶壓油箱，油箱壓力均為0.6 MPa，同時(shí)管軸內(nèi)凸出的那一部分管道內(nèi)壁面還需作為伸縮軸的導(dǎo)向裝置。該裝置是由多段AA6061-T6鋁合金通過交流鎢極氬弧焊工藝焊接而成。焊絲選用ER4043鋁硅系焊絲，直徑為1.2 mm。焊縫對(duì)接處采用帶定位止口的坡口形式，對(duì)接接口通過數(shù)控機(jī)床加工獲得。焊接時(shí)，不僅需要滿足管段與管段之間同軸度和直線度的要求，而且需要滿足NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》所規(guī)定的焊縫等級(jí)I級(jí)，即焊接接頭內(nèi)不允許存在裂紋、未熔合、未焊透和條形缺陷。AA6061-T6鋁合金母材及ER4043焊絲的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

圖1 瓢形管軸的橫截面形狀

表1 鋁合金和焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 AA6061-T6鋁合金的力學(xué)性能

2 焊接缺陷及成因分析

為滿足設(shè)計(jì)要求，該瓢形管軸在焊接時(shí)的環(huán)境溫度和濕度均符合要求[1，2]。組焊后檢測到的工件狀況是：直線度和同軸度能滿足要求，但X射線檢測出焊縫整圈未熔透，并在管壁由薄變厚的對(duì)稱位置兩側(cè)均出現(xiàn)大量氣孔，焊縫質(zhì)量等級(jí)被評(píng)定為Ⅳ級(jí)（焊縫質(zhì)量的最低等級(jí)），因此無法滿足產(chǎn)品使用要求。瓢形管軸橫截面易產(chǎn)生氣孔部位如圖2所示。在焊接時(shí)，焊縫產(chǎn)生未熔透和氣孔缺陷，不僅會(huì)減少金屬的有效工作面積，顯著地降低金屬的強(qiáng)度和塑性，而且還有可能造成應(yīng)力集中，引起裂紋，嚴(yán)重地影響動(dòng)載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。此外，彌散小氣孔雖然對(duì)強(qiáng)度影響不顯著，但會(huì)引起金屬組織疏松，導(dǎo)致塑性、氣密性和耐蝕性降低[3，4]。

圖2 瓢形管軸橫截面易產(chǎn)生氣孔部位（紅色區(qū)域）

針對(duì)焊縫未熔透、氣孔兩種焊接缺陷，可從材料、結(jié)構(gòu)及工藝等角度加以分析。

（1）材料方面 AA6061-T6是一種Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，主要通過熱處理過程中形成的納米級(jí)亞穩(wěn)沉淀相阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)較高強(qiáng)度。AA6061-T6鋁合金母材的顯微組織如圖3所示。由圖3可知，母材為典型的軋制態(tài)形貌，晶粒沿軋制方向被拉長，呈板條狀，主要由鋁基固溶體及分布其中的圓點(diǎn)狀沉淀相等第二相組成。該鋁合金具有良好的成形性、焊接性、可加工性以及耐蝕性，廣泛應(yīng)用于高鐵車體、船舶構(gòu)件、汽車零部件等結(jié)構(gòu)制造和焊接結(jié)構(gòu)中[5]。通過鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、釬焊、電子束焊及激光焊等多種熔化焊方式，均可實(shí)現(xiàn)無焊接缺陷的接頭。顯然，AA6061-T6材料并不是本文所述焊接缺陷產(chǎn)生的原因。

圖3 AA6061-T6鋁合金母材的顯微組織

（2）結(jié)構(gòu)方面 凹凸式定位止口造成整圈難以熔透。因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限，加上焊件之間的同軸度和直線度要求，將焊接處設(shè)計(jì)成帶定位止口的單面焊，而此定位止口造成了整體結(jié)構(gòu)組織和性能的不連續(xù)性，因而產(chǎn)生了焊接時(shí)難以全部熔透的缺陷。定位止口如圖4所示。

圖4 定位止口

（3）工藝方面 管壁由薄變厚的過渡幾何設(shè)計(jì)造成了焊接過程中要在此處短暫停留，并需改變焊接參數(shù)，從而形成了氣孔。雖然工藝要求每個(gè)焊口的每一道焊要一氣呵成，且工件已經(jīng)預(yù)熱，但由于管壁的厚度差已超過2倍，厚壁處的散熱能力大大強(qiáng)于薄壁處。因此，使用焊接3.5mm厚板設(shè)定的焊接參數(shù)繼續(xù)焊接7.8mm厚板肯定不合適，必然在管壁厚度由小增大至一定數(shù)值后需改變焊接電流、電弧電壓、焊接速度等參數(shù)才能繼續(xù)施焊，此種變化對(duì)熔池中氣體的順利逸出造成了影響[6]。經(jīng)過多次焊接試驗(yàn)，均在管壁由薄變厚部位的焊縫中出現(xiàn)了氣孔，這也證實(shí)了前文所述。

3 焊接缺陷的改善方法

3.1 焊縫未熔透

針對(duì)整圈焊縫出現(xiàn)的未熔透缺陷，采用可拆卸的內(nèi)襯工裝代替工件自身的定位止口來對(duì)焊件進(jìn)行定位，并將內(nèi)襯工裝設(shè)計(jì)成焊縫反面成形的胎具，這樣對(duì)接焊口就變成了類似于帶墊板的單面焊。這種組焊方式不僅可以保證工件的同軸度，也有助于焊縫的全熔透。定位工裝的形狀及擺放位置如圖5所示?？紤]到鋁合金熔化后具有較好的流動(dòng)性，內(nèi)襯工裝的材料應(yīng)選用石墨或純銅，并在與焊縫接觸的外圓柱面加工出寬3mm、深0.8mm的環(huán)槽，為焊漏留出余量，有利于焊縫反面成形。內(nèi)襯工裝由4瓣組成，中間加工出圓形錐孔，通過壓入錐形芯軸的方式將4件瓣塊脹開，確保內(nèi)襯工裝與管內(nèi)壁貼緊，拆卸時(shí)拔出芯軸，將兩件小的活動(dòng)瓣塊朝中心方向拔出即可。

圖5 定位工裝的形狀及擺放位置

3.2 厚度變化部位出現(xiàn)氣孔

如前所述，氣孔是由于連續(xù)施焊時(shí)管壁厚度不均勻造成的，該不均勻性可造成散熱能力的不一致性。在瓢形管軸的外面加裝一個(gè)不等厚的散熱環(huán)，使瓢形管軸在焊接過程中每處的散熱能力相同，可實(shí)現(xiàn)理論意義上的“等厚焊接”。散熱環(huán)的材質(zhì)與母材相同，均為AA6061-T6鋁合金。其內(nèi)外形狀可通過機(jī)械加工的方法獲得，這樣確定每個(gè)部位的厚度時(shí)，只需考慮散熱環(huán)與瓢形管軸外壁的傳熱效率。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，安裝此種結(jié)構(gòu)的瓢形管軸在焊接時(shí)能夠消除相應(yīng)位置的氣孔。

4 結(jié)束語

從材料、結(jié)構(gòu)及工藝等方面分析了瓢形管軸環(huán)焊縫焊接時(shí)出現(xiàn)的焊縫未熔透、氣孔缺陷及原因。具體改善措施：一方面，提出了通過可拆卸的內(nèi)襯工裝代替工件自身的定位止口對(duì)焊件進(jìn)行定位，并將內(nèi)襯工裝設(shè)計(jì)成焊縫反面成形胎具的方法，可消除整圈焊縫中出現(xiàn)的未熔透缺陷；另一方面，提出了在瓢形管軸外面加裝一個(gè)不等厚的散熱環(huán)，可消除管壁厚度突變處出現(xiàn)的氣孔缺陷。在日常焊接鋁合金等散熱性較好的材料時(shí)，要關(guān)注厚度變化，可采用增加輔助工裝的方式，使不等厚的連續(xù)焊接過程變成理想的等厚焊接。