朱達(dá)新,唐菊萍
(江蘇省江陰中等專業(yè)學(xué)校機(jī)電系,江蘇 江陰 214400)
鋁及鋁合金具有優(yōu)異的物理特性和力學(xué)性能,其具有強(qiáng)度高、密度低、熱導(dǎo)率高、電導(dǎo)率高及耐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品方面。鋁合金應(yīng)用于船舶制造行業(yè),與鋼制船舶結(jié)構(gòu)相比,其有明顯的優(yōu)越性:密度低,可有效地減輕船舶重量,減小發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)容量和油耗,可用作上層建筑的結(jié)構(gòu)材料,還可以降低船體重心增加穩(wěn)定性;彈性模量小,能充分吸收沖擊應(yīng)力,增加安全性;無磁性,減小對(duì)羅盤的干擾,還可以避免軍用艦艇受到磁性水雷的攻擊;耐蝕能力強(qiáng),能抵抗海水和海洋大氣對(duì)船體的腐蝕,延長使用年限并減少油漆和防腐等維護(hù)費(fèi)用。
對(duì)船用鋼材焊接檢驗(yàn),須符合“鋼制海洋漁船建造規(guī)范”和中國船級(jí)社“材料與焊接規(guī)范”的相關(guān)要求。以某輪船主船體為鋼制材料及甲板室為鋁制焊接結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例,該輪要求采用的是T8mm 型號(hào)為5083 的鋁板,對(duì)其焊接工藝進(jìn)行研究。
鋁是銀白色的輕金屬,其特點(diǎn)是比重?。?.7 g ?cm?3,約為鋼的三分之一)、熔點(diǎn)低(658 ℃)、比熱容大、熱導(dǎo)率高(約為鋼的4 倍),因此焊接鋁合金時(shí)比鋼要消耗更多的熱量。5083 型鋁合金化學(xué)成分和力學(xué)性能列于表1 和表2[1-2]。
表1 5083 鋁合金化學(xué)成分Tab1 e1 Chemical composition of 5083 aluminum alloy
表2 5083 鋁合金力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 5083 aluminum alloy
由于鋁及其合金的化學(xué)活性強(qiáng),鋁和氧的親和力很大,在空氣中就能與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成一層致密而難熔的氧化膜Al2O3,其厚度0.1—0.2 μm、熔點(diǎn)高達(dá)2050 ℃。焊接時(shí)由于氧化膜覆蓋在液態(tài)鋁的上面,其既阻礙填充金屬與母材之間的結(jié)合,又妨礙熔融填充金屬浸潤。此外,氧化膜的比重(3.95—4.18 g?cm?3)約為鋁的1.4 倍,易形成夾渣。為了保證焊接質(zhì)量,焊前必須清除焊件表面的氧化膜,并對(duì)熔化金屬和處于高溫下的金屬進(jìn)行有效的保護(hù),防止在焊接過程中再氧化[3]。
鋁及鋁合金焊接所產(chǎn)生的氣孔主要是氫氣孔,高溫時(shí)鋁可溶解大量的氫,在凝固過程中氫的溶解度從6.9 mL?kg?1降到0.36 mL?kg?1,二者相差約20倍,原先溶于液態(tài)鋁中的氫幾乎全部析出而形成氣泡。但由于鋁及其合金的比重小,氣泡在熔池中浮升的速度慢,加上鋁的導(dǎo)熱性強(qiáng)、冷凝快,不利于氣泡浮出,因此焊接鋁或鋁合金時(shí)焊縫產(chǎn)生氣孔的傾向很大。
鋁的線膨脹系數(shù)比鋼約大一倍,而凝固時(shí)結(jié)晶收縮率又比鋼大兩倍,因此焊接鋁及鋁合金時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和焊接變形。其次,鋁合金高溫塑性低(在640 ℃工業(yè)純鋁的延伸率δ僅為0.6%),因此在較大的內(nèi)應(yīng)力下易產(chǎn)生熱裂紋[4]。當(dāng)純鋁及大部分非熱處理強(qiáng)化鋁合金在融化時(shí),一般是不容易產(chǎn)生焊接裂紋的,但是當(dāng)焊件的剛度較大時(shí)或合金雜質(zhì)控制與工藝條件不當(dāng)時(shí),往往也會(huì)出現(xiàn)裂紋。
5083 鋁合金中含有鎂、鋅、錳等沸點(diǎn)很低的元素,在電弧高溫作用下他們極易蒸發(fā)和燒損,從而減少了焊縫金屬合金元素的含量,降低了焊接接頭的機(jī)械性能[5]。
鋁及鋁合金自固態(tài)變成液態(tài)時(shí)無明顯的顏色變化,焊接時(shí)易造成燒穿和焊縫金屬塌陷,打磨清根時(shí)用肉眼也很難判斷缺陷是否清除干凈。因此,焊接區(qū)域保護(hù)不好易造成焊接區(qū)域的腐蝕。
鋁及鋁合金常用的焊接方法有鎢極非熔化極氣保焊(簡稱TIG 焊)和熔化極氬弧焊(簡稱MIG 焊),這兩種方法均采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù),均具有陰極清理作用。TIG 焊接質(zhì)量好且容易操作,適用于全位置焊接,但效率低。MIG 焊屬于半自動(dòng)焊,生產(chǎn)效率較高,但MIG 焊縫氣孔傾向要比TIG 大些。在MIG 焊接時(shí),由于弧柱的溫度高,焊絲以細(xì)小熔滴的形式落入熔池,因其比表面積較大而易吸氫;在TIG 焊接時(shí),主要是熔池表面與氣體氫反應(yīng),因其比表面積較小且溫度低,自然吸收氫就少些[6]。由于MIG 的熔池深度一般大于TIG 的深度,這也不利于氣泡的浮出。因此,根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)條件,選擇TIG 焊焊接工藝方法,焊接電源選用某公司YC-500WX4 型多功能氬弧焊機(jī)。
焊絲選擇的合理與否決定著焊接接頭的力學(xué)性能、耐腐蝕性能及抗裂紋性等,因此選擇焊絲不僅要考慮焊縫的成分要求,還要考慮接頭的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、結(jié)構(gòu)的剛性、顏色及抗裂紋性等問題,通常焊接5083 鋁合金選用ER5356 和ER5183 兩種焊絲。采用ER5356 焊絲焊接,獲得的焊縫具有良好的塑性,并且經(jīng)陽極化處理后,其顏色與基體一致。選擇ER5183 焊絲焊接,獲得的焊縫具有良好的強(qiáng)度和抗腐蝕性能,這一點(diǎn)對(duì)于長期受海水腐蝕的船體結(jié)構(gòu)來說尤為重要[7]。
鋁合金焊接時(shí),采用直徑粗的焊絲比直徑細(xì)的好,因?yàn)榇趾附z熔滴比表面積降低,產(chǎn)生氣孔的傾向小,并且粗直徑焊絲強(qiáng)度高、挺度好,在高溫熔池下這一優(yōu)點(diǎn)更明顯。經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn),最終選定直徑4.0 mm 的ER5183 焊絲作為焊接5083 鋁合金的匹配焊絲,焊縫的強(qiáng)度達(dá)船級(jí)規(guī)范要求。直徑4.0 mm 的5183 鋁焊絲化學(xué)成分列于表3。
表3 直徑4.0 mm 的5183 鋁焊絲化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of 5183 aluminum wire with a diameter of 4.0 mm
鋁合金焊接的保護(hù)氣體必須采用高純度氬氣且純度大于99.95%,按照GB/T10624 要求對(duì)其純度進(jìn)行定期測(cè),同時(shí)還要保證氣體傳輸管道的清潔[8]。本試驗(yàn)的保護(hù)氣體為瓶裝氬氣,其純度達(dá)到99.99%。
鋁合金板的尺寸為8 mm×250 mm×300 mm,其坡口形式見表4。鋁合金材料可采用機(jī)械或等離子方法進(jìn)行切割,而坡口一般可采用刨或磨等機(jī)加工方法。通常清潔部位應(yīng)在4 h 內(nèi)施焊,否則應(yīng)對(duì)該部分采取有效的保護(hù)或重新進(jìn)行清潔。鋁合金焊接場(chǎng)地應(yīng)有防潮、防塵、防寒和防風(fēng)設(shè)施,施焊時(shí)的風(fēng)速應(yīng)小于0.5 m?s?1,空氣濕度控制在70%以下。
表4 坡口形式Table 4 Welding grooves forms and types /mm
2.5.1 焊前處理
焊前需對(duì)5083 鋁合金母材表面的污物、塵土、金屬微粒、油污、水汽及氧化皮等進(jìn)行清除,先用肥皂水清洗以清除表面的油漬,再用清水沖洗,晾干。焊前可用細(xì)鋼絲刷對(duì)近縫區(qū)全面刷一遍,并用刮刀刮削坡口端面和焊縫兩側(cè)20 mm 范圍的母材,將坡口下端(根部)刮去一個(gè)倒角,成為倒V形小坡口(鏟根,防止根部氧化膜引起的氣孔),最后在坡口兩側(cè)20 mm 范圍內(nèi),用電動(dòng)刮刀、不銹鋼絲刷去除表面氧化膜。禁止用砂輪,因?yàn)樯拜喌奈⒘G度脘X中很難清除,會(huì)形成焊縫中的不良夾雜物。
由于5083 鋁合金焊絲亦有較厚的氧化膜,焊前先用沙皮打磨,然后用丙酮清洗,清洗后的焊絲必須保持干燥。
2.5.2 預(yù)熱
5083 鋁合金最容易出現(xiàn)的焊接缺陷就是氫氣孔,尤其在潮濕季節(jié)或濕度大的地區(qū)進(jìn)行焊接時(shí),焊縫中的擴(kuò)散氫含量更應(yīng)加以認(rèn)真分析和仔細(xì)控制。因此,增加焊前預(yù)熱工藝措施,預(yù)熱溫度為90 ℃、道間溫度為60 ℃,預(yù)熱位置距離焊道50 mm。同時(shí),需對(duì)焊接材料進(jìn)行干燥處理以降低水分。使用的焊接材料如保護(hù)氣體、焊絲、焊條等要嚴(yán)格限制含水量,使用前需對(duì)它們進(jìn)行干燥處理。焊絲領(lǐng)取時(shí)保持密封,焊前應(yīng)烘干,在烘干溫度為120 ℃下保溫2 h 后使用,未用完的焊絲重新放回烘干箱。
2.5.3 裝配定位焊
拼裝時(shí)不留間隙,在試板反面定位,定位焊縫長度30 mm、間距100 mm。為防止焊后產(chǎn)生錯(cuò)邊,反面再安裝2 塊馬板(圖1)。正面焊接結(jié)束后,用電動(dòng)銑刀對(duì)背面焊縫進(jìn)行清根后再進(jìn)行焊接,反面清根時(shí)一定要清理干凈,同時(shí)注意坡口的寬深比不能太小,否則極易產(chǎn)生未熔合。
圖1 鋁合金試板裝配圖Figure 1 Aluminium alloy test plate assembly drawing
采用TIG 焊時(shí),如發(fā)現(xiàn)鎢極氧化或形狀不良,應(yīng)及時(shí)更換鎢極或進(jìn)行修磨。焊接時(shí)若鎢極觸及熔池或焊絲則應(yīng)立即停止焊接,對(duì)夾鎢焊縫進(jìn)行徹底清除,沾污的焊絲和鎢極也應(yīng)清潔[9]。
2.6.1 焊接方向及焊前檢查
焊接鋁及鋁合金采用鎢極手工氬弧焊,焊接的方向通常采用左焊。焊前需檢查焊機(jī)清洗狀況及焊機(jī)、氬氣皮管和冷卻水系統(tǒng)是否正常,然后預(yù)放氬氣15 s 左右,以驅(qū)除管路中的空氣,并在試板上調(diào)整焊接規(guī)范。
2.6.2 焊槍與焊件間的相對(duì)位置及引弧要求
焊接時(shí)焊絲、焊槍與焊件之間相對(duì)的位置如圖2 所示。焊接過程中要求焊槍運(yùn)行平穩(wěn),焊絲均勻,保持電弧穩(wěn)定燃燒。送絲時(shí)不能攪亂氣體對(duì)熔池的保護(hù),焊絲端部不要離開氣體保護(hù)。由于接頭處很容易產(chǎn)生氣孔,所以焊接過程中應(yīng)避免中途停頓,盡量減少不必要的焊接焊頭。
圖2 氬弧焊焊槍、焊絲與焊件之間的相對(duì)位置Figure 2 The relative position of TIG welding torch,welding wire and weldment
引弧一般采用高頻或脈沖兩種方法。引弧時(shí)先將焊槍中的鎢極端部與焊件之間保持一定距離,然后接通引弧器,在高頻電流或高壓脈沖電流作用下使氬氣電離而引燃電弧。
2.6.3 焊槍運(yùn)行及送絲方式
焊槍采用等速送絲,盡量地連續(xù)送絲,焊接電流要盡可能地加大,送絲時(shí)要向熔池持續(xù)不斷地送給,并且盡可能多送焊絲,這是因熔敷速度快,需得到足夠的填充金屬來避免氣孔產(chǎn)生。同時(shí),為了減小焊接熱輸入及防止焊接熱影響區(qū)軟化,要求焊接速度要快,不能停留(因?yàn)闃岊^一旦停在某處不動(dòng),熔池溫度就會(huì)急劇上升),焊絲端部要一直在氬氣的保護(hù)中。
為防止在收弧處產(chǎn)生嚴(yán)重的縮孔及弧坑裂紋等缺陷,一般采用引出板將弧坑引出焊件。對(duì)于中斷處或不能安裝引出板的焊件,可以采用填加焊絲來填滿弧坑,或者采用電流衰減方法。
2.6.4 焊接規(guī)范選擇
在TIG 焊接時(shí),焊接工藝參數(shù)的選用應(yīng)盡量采用小線能量,以減少熔池的存在時(shí)間,從而減少氣氛中的氫的溶入,并且又要能充分保證根部熔合,以利根部氧化膜上的氣泡浮出。圖3 為焊接工藝參數(shù)對(duì)氣孔傾向的影響(TIG)。從圖3 數(shù)據(jù)可以看出,采用大的焊接電流同時(shí)配合較高的焊接速度是比較有利的。
圖3 焊接工藝參數(shù)對(duì)氣孔傾向的影響(TIG)Figure 3 The influence of welding process parameters on stomatal tendency(TIG)
在TIG 焊接規(guī)范的條件下(表5),對(duì)鋁合金試板進(jìn)行焊接,待焊縫成形后對(duì)其外觀檢查發(fā)現(xiàn),外觀成形良好,無裂紋、咬邊、氣孔、焊瘤等缺陷。
表5 5083 鋁合金TIG 焊焊接規(guī)范(平對(duì)接、角接)Table 5 Specification for TIG welding of 5083 aluminum alloy
焊縫質(zhì)量按CB/T3747 船用鋁合金焊接接頭質(zhì)量要求進(jìn)行檢驗(yàn),X 射線檢測(cè)按CB∕T3929 鋁合金船體對(duì)接接頭X 射線照相及質(zhì)量分級(jí)進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于船體上層建筑的一般鋁合金焊縫,焊縫探傷驗(yàn)收只要求Ⅲ級(jí),并且是1%抽查率。檢測(cè)結(jié)果表明,最終焊縫質(zhì)量PT 檢測(cè)達(dá)到Ⅱ級(jí)合格指標(biāo),RT 檢測(cè)達(dá)到Ⅲ合格指標(biāo)。
按照CCS 標(biāo)準(zhǔn)[10]中的規(guī)定進(jìn)行彎曲性能檢查及力學(xué)性能試驗(yàn)。拉伸性能檢測(cè)結(jié)果表明,焊接接頭強(qiáng)度與原始母材的強(qiáng)度基本相當(dāng)。橫向彎曲試驗(yàn)時(shí)橫向正反彎12 組,試樣厚度8 mm、彎軸直徑D=60 mm、彎角180 °。試驗(yàn)結(jié)果顯示,彎曲到規(guī)定的角度后焊縫沒有出現(xiàn)開口缺陷。表明,焊縫拉伸性能、力學(xué)性能均滿足CCS 標(biāo)準(zhǔn)要求。
根據(jù)CCS 規(guī)范要求,鋁合金對(duì)接縫焊接工藝不能覆蓋角焊縫,因此需同時(shí)進(jìn)行角焊縫焊接工藝。角焊縫破斷試驗(yàn)結(jié)果顯示,焊縫沒有氣孔、夾渣及未熔化等缺陷。
5083 鋁合金焊接屬于特種材料的焊接,手工鎢極氬弧焊(TIG)焊接鋁合金屬于高難度、高附加值的特種作業(yè)。通過大量試板的焊接及相關(guān)試驗(yàn),逐步尋找到能有效消除鋁合金焊縫中氣孔的焊接工藝的要點(diǎn)和操作技巧。對(duì)于5083 鋁合金的焊接,焊接接頭形式、焊材選擇、焊接工藝制定、焊接高溫區(qū)控制、惰性氣體保護(hù)和焊接順序等工藝措施,都需要認(rèn)真對(duì)待和正確處理。只要將所有控制程序都做好,焊縫質(zhì)量才能滿足規(guī)范要求。