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。

1 焊接性能分析

1.1 材料理化性能

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

1.2 氧化膜問題

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］。

1.3 氣孔問題

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。

1.4 焊接變形和裂紋

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。

1.5 合金元素的蒸發(fā)和燒損

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］。

1.6 其他問題

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。

2 焊接工藝試驗(yàn)

2.1 焊接方法選擇

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)。

2.2 焊接材料的選擇

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

2.3 保護(hù)氣體

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%。

2.4 焊前準(zhǔn)備

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 工藝要求

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 焊接操作技術(shù)要求

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）

3 焊縫無損探傷及力學(xué)性能

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

3.1 無損檢測(cè)

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)。

3.2 力學(xué)性能

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。

4 結(jié)論

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。