5A06薄板铝合金的手工钨极氩弧焊工艺研究

■李常青 樊 虎

一、引言

铝合金具有较高的比强度，导电性、导热性以及良好的耐蚀性，因此，在航空航天、机械制造、电工、化学工业和某些特殊的应用场合得到大量的应用。5A06铝合金是Al-Mg系非热处理强化防锈铝合金，其可焊性很好，通常作为焊接结构材料使用。

5A06铝合金焊接时有以下特点：1.表面极易形成一层难容的氧化膜，焊接时若不能有效清除易出现未焊透、未熔合、夹杂和气孔等缺陷；2.其导热性强而热容量大，必须采用能量集中的热源；3.线膨胀系数大，焊接时易产生变形，在拘束应力下易导致裂纹；4.焊接接头易出现抗拉强度偏低，塑性不足。现目前，铝合金焊接方法主要有氩弧焊、电阻焊、电子束焊、电渣焊和钎焊等。其中，钨极氩弧焊是在惰性气体氩气的充分保护下进行焊接，阻止空气中有害气体的倾入，能够获得性能较好的焊接接头，焊缝成型美观。手工钨极氩弧焊是当前应用最广泛的一种焊接方法。

通过不断深化和完善，其在焊接铝合金时具有以下优点：1.防止空气侵入，接头处不受氧、氮及氢的侵蚀，可获得高质量的焊缝；2.避免焊缝中生成夹渣和气孔；3.焊缝及构件的收缩量很小；4.焊接接头的力学性能和抗蚀性能大大提高；5.对构件准备工作要求不高，焊接操作简单。

本文针对某型号5A06铝合金产品焊接问题，对试板进行了不同工艺参数条件下的手工钨极氩弧焊焊接，设计了焊接工装夹具，获得了理想的工艺参数，焊接接头性能达到指标要求。通过本次试验，为我厂某产品实际焊接提供了试验数据支持，也为5A06铝合金手工钨极氩弧焊提供了技术参考。

表1 5A06铝合金化学成分(质量分数)(%)

二、试验材料和方法

试验材料为400mm×80mm×5mm规格的5A06铝合金板材，示意图如图1，手工钨极氩弧焊填丝为φ3.0的铝镁焊丝。表1给出了5A06铝合金化学成分。其室温抗拉强度为320MPa。

焊接设备为交流氩弧焊机，试板采用平板对接接头形式，试验前将待焊的试板进行碱洗处理，在烘箱中烘干后按照表2给出的6组焊接工艺参数进行手工钨极氩弧焊接。其中保护气体为99.99%的氩气，焊接时气流量为8L/min。焊接时先进行点焊，然后进行坡口正面焊接，然后用砂轮对背面进行打磨，去掉氧化膜后进行背面焊接。

图1 试板加工示意图

表2 焊接工艺参数

焊后将外观成型好的焊缝按照QJ2698-95 Ⅰ级进行X光透视检查。为了考察手工钨极氩弧焊焊接接头在常温下的力学性能，对于无缺陷的试板，按照GB/T 2651-2008加工成拉伸试样，并进行拉伸试验。每一试板加工5个板拉伸试样，取其平均值为最终抗拉强度值。

三、焊接工装夹具的设计

图2 平板对接示意图

图3 预变形对接示意图

5A06薄板焊接易变形，通过焊后进行人工时效可消除残余应力，保证接头强度。按照图2平板对接进行手工钨极氩弧焊焊接，焊后发生先焊面受压应力的变形。经过人工时效后，并未消除焊接变形。为减小焊接变形，按图3在点焊时给5°～10°预变形，焊后进行人工时效后，存在轻微变形，且预变形角度的控制也难以达到最终尺寸精度要求。为进一步防止或减少工件的焊接变形，设计了简易的工装夹具，示意图如图4所示。使用工装夹具焊接后进行人工时效，能控制试板的焊接变形，满足尺寸精度要求。

图4 使用夹具对接示意图

四、不同工艺条件下，接头抗拉强度结果分析

通过使用工装夹具，并按照表2工艺参数进行手工钨极氩弧焊焊接，获得6个焊接接头，分别给每一接头打上1到6的编号。通过X光透视检查发现所有编号的接头都未出现裂纹、气孔等缺陷，都具有成型性较好的焊缝。影响焊接接头质量的工艺参数主要有气体流量和焊接电流。

99.9%的高纯氩惰性气体可以保护熔池不被氧化，气流量又对工艺性能和最终焊缝成型有重要影响。气流量过大会使熔池“翻浆”，周围空气容易卷入熔池，保护效果不好；气流量过小，排除周围气体的能力也减弱，同样使保护效果降低。通过调整，焊接时气流量选择8L/min时能达到最佳效果。

焊接热输入对接头成型和最终性能有直接影响。热输入过大，容易出现过烧、大的焊接变形、热影响区晶粒粗化等现象。热输入过小，熔池停留时间短，不利于熔池中氢的逸出，容易获得淬硬的组织。公式(1-1)为焊接热输入公式:

式中：E为焊接热输入，J/cm；U为焊接电压，V；I为焊接电流，A；ν为焊接速度，cm/min。

由公式(1-1)可知，焊接热输入与电压电流成正比，与焊接速度成反比。在实际焊接过程中电压变化不大，选择的焊接速度一定，那么焊接热输入主要由焊接电流决定。通过研究焊接热输入和试板抗拉强度之间的关系，可找到最优化的焊接参数以满足接头的使用性能。

通过对6组试板进行拉伸试验，取试验获得的5个抗拉强度值的平均值作为每一工艺参数条件下抗拉强度。图5给出了这6组不同工艺参数下所得焊接接头的抗拉强度。

图5 不同焊接电流下接头抗拉强度

由图5可知：焊接电流为200A时获得接头抗拉强度最高，其值为291MPa，为母材抗拉强度的90.6%，其表现出最好的接头抗拉强度。选择焊接电流为200A时工艺参数为最终的产品焊接工艺参数。

焊接电流分别为160A、170A、180A时，接头抗拉强度变化不大分别 为 275MPa、272MPa、284MPa， 分别为母材抗拉强度的85.9%、85%、88.5%。虽然这3组表现出了较好的抗拉强度，但比焊接电流为200A时接头抗拉强度低。

焊接电流为220A、230A时的接头抗拉强度较焊接电流为200A时接头抗拉强度小，分别为母材抗拉强度的87.5%、81.6%，随着焊接电流的增加，接头抗拉强度有明显减小趋势。焊接电流是决定焊缝熔深的最主要参数，随着电流的增加熔深增加，同时使热影响区加大，接头出现软化现象，强度降低。

五、结论

1.5mm厚5A06铝合金试板采用手工钨极氩弧焊时产生焊接变形，通过设计简易焊接工装后，能有效控制焊接变形，满足后续尺寸加工精度要求。

2.通过设计6组不同焊接工艺参数，对铝合金试板进行手工钨极氩弧焊焊接，均获得成型良好的焊接接头。其中焊接电流为200A时，接头抗拉强度达到母材抗拉强度的90.6%，表现出较好的力学性能，从而也将焊接电流为200A时的工艺参数作为实际产品焊接工艺参数。

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册(第二版)[M].机械工业出版社.2007.7:507-519.

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