2219铝合金直流活性焊接技术

2018-04-17龙伟民曲文卿钟素娟

电焊机 2018年3期

张雷，龙伟民，鲍丽，曲文卿，钟素娟

（1.郑州机械研究所有限公司新型钎焊材料与技术国家重点实验室，河南郑州 450001；2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083）

0 前言

铝及铝合金具有优异的物理性能、化学性能、力学性能及工艺特性，广泛应用于交通运输、航空航天和化工等领域。随着焊接技术的不断发展，氩弧焊、等离子弧焊、搅拌摩擦焊、真空钎焊及许多特种焊接方法已得到广泛应用，先进的焊接工艺解决了部分铝合金（如Al-Cu-Mg、Al-Li等）的不可焊问题，并在轨道交通、航天飞机、轻型汽车等诸多产品中逐步得到推广应用[1]。

钨极氩弧焊是生产过程中最常见的铝合金焊接方法，其中，交流钨极氩弧焊引弧稳弧性能差，熔透能力弱，且焊缝常常有大量气孔生成；采用传统的直流正接TIG焊接铝及铝合金时，虽然钨极发射出来的高能电子流高速冲击工件，并将全部能量交付焊件，形成窄而深的焊缝，电流很稳定，但电弧中的电子流不足以破除工件表面的氧化膜。

本研究通过焊前在工件表面涂覆一层活性无氧化性的去膜剂，采用直流正接方式，以较小电流得到表面成形良好，无气孔缺陷的焊缝。这种无缺陷直流活性焊接技术不但避免了补焊等繁琐的后续工序，提高生产效率，降低安全隐患，还相对节约了能源。针对2219-T87铝合金平板无缺陷直流活性焊接，分析活性剂消除气孔倾向、去除氧化膜的相关机理，研究焊缝的微观组织和性能。

1 实验方法

实验采用2219-T87铝合金材料，板厚4 mm，化学成分如表1所示；填充金属为直径1.6mm的ER2319焊丝，成分近似于2219铝合金。活性剂为自行研制的无氧化性复合焊剂，成分如表2所示。

表1 铝合金2219-T87的名义化学成分%

表2 无氧化性复合焊剂成分%

焊前用NaOH水溶液清洗铝板，使用刮刀去除表面氧化物。用无水乙醇溶解活性剂，搅拌成糊状用毛刷均匀地涂覆在工件表面，以遮覆金属表面光泽为佳，随后用吹风机吹干。采用平板对接方式，背面有带凹槽的不锈钢垫板。实验设备为WS-400直流焊机，焊接工艺参数如表3所示。焊枪必须沿铝板对接的中心线精确行走。

表3 焊接工艺参数

将浓度3%的双氧水和25%的氨水按3∶7的重量比混合，腐蚀焊缝组织；采用奥林巴斯金相显微镜观察腐蚀的组织。

2 实验结果和讨论

2.1 消除气孔倾向

交流TIG焊与直流正接活性TIG焊的焊缝X光底片对照如图1所示。可以看出，采用交流TIG焊接2219-T87铝合金，焊缝气孔倾向明显；采用直流正接TIG焊接铝及铝合金，可有效避免气孔倾向。

氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材所吸附的水分都是焊缝气孔中氢的主要来源。

此外，电流种类和极性不同对产生气孔的影响也不同。例如，直流反接比直流正接和交流焊接时气孔倾向小，原因在于氢是以质子形式向液态金属中溶解。当采用直流正接或交流电流时，氢形成质子熔入熔池，所释放的电子造成液态金属表面上电子过剩，使反应：H→[H+]+e0向左进行，不利于氢向金属溶解[2]。

图1 交流TIG焊与直流正接活性TIG焊的焊缝X光底片对照

采用TIG焊直流正接，电弧过程较交流更稳定，空气混入气氛的机会较小，且焊接速度不快，熔池凝固速率较低；另一方面，添加的活性剂与弧柱中的氢结合，缓解了液态金属表面上[H+]的过剩。

本研究设计的活性剂中氟化物可以显著减少气孔倾向，例如CaF2焊接时直接与氢发生反应

上述反应所产生的HF是一种稳定的气体化合物，高温也不易分解。由于大量的氢被HF占据，降低了电弧中氢的分压，减小了氢的溶解度，有效地消除了气孔倾向。生成的HF在熔化的铝合金中溶解度极低，绝大部分逸出，不会产生新气孔。

同时，添加的少量氧化性活性剂（如SiO2等）对于消除氢气孔有效。因为这些氧化物在高温时与氢化合生成稳定性仅次于HF的OH也不溶于液态的铝合金，但却可以占据大量的氢。进行的反应如下

然而氧化性活性剂的添加量应视情况而定，过量可能会在焊接过程中对焊缝起氧化作用。

2.2 去除表面氧化膜

铝合金中的铝及一些合金化元素（如镁、锌等），与氧具有很强的亲和力，在铝合金表面总有一层难熔的氧化膜，其熔点很高（如Al2O3的熔点约为2 050℃，MgO的熔点约为2 500℃）。采用纯粹的直流正接铝合金焊接时，由于工件为阴极，电弧中的电子流不能起到阴极清理作用，氧化物在焊接过程中仍然存在于熔池表面，使电弧和熔池分离，很容易造成板材之间焊接未熔合的现象。

本实验所采用的活性剂可以有效去除铝合金表面的氧化物。添加活性剂后得到的4 mm厚2219-T87铝合金对接焊缝的正反面成形情况如图2所示。焊缝外观光洁、无夹渣，熔合良好。这是因为氟化物具有溶解氧化物的能力[3]，但过量的氟化物会增大界面表面张力，影响焊丝的添加效果。加入一些易熔的重金属氯化物能够提高氟化物的去膜效果，ZnCl2就是一种典型的优良试剂：其中的阴离子（Cl-）通过对铝的电化学腐蚀加速氧化膜的剥离、破碎，方便氟化物对氧化膜的溶解；重金属阳离子（Zn2+）沉积在铝表面，改善焊丝在铝表面的铺展。去膜剂中的一些元素与氧的亲和力很强，能够还原基体金属氧化物，得到产物AlCl3和AlxCly，其中，在电弧加热作用下，AlCl3可以转化变为气体蒸发，并在蒸发、气泡上浮过程中同时破碎铝合金表面的氧化物薄膜[4]；AlxCly是复合盐，流动性好，密度小于铝，能够浮于焊缝熔池的表面和边缘，对熔池起保护作用，且易于清除。

图2 活性剂直流TIG对接焊缝

2.3 焊缝的微观组织及力学性能

图3 2219-T87铝合金直流正接TIG焊接头区域微观组织（200×）

直流正接TIG焊接的2219-T87铝合金接头区域微观组织照片如图3所示。图3a为2219-T87铝合金母材组织微观组织照片，它由沿着轧制方向（水平方向）存在的细长晶粒和弥散分布的强化相θ（AlCu2）构成。图3b为接头区域的焊缝区组织，它具有铸造组织的特征，即由柱状晶组织、焊缝中心区域的等轴晶和强化相θ（AlCu2）构成，无任何空洞。由于焊接电流较小，对材料的热影响小，故形成的组织细小。图3c为熔合区的组织照片，其中最左侧是焊缝区组织，中间部分是熔合区组织，而最右边则是热影响区组织。熔合区组织由细长的晶粒组织和聚集的强化相θ（AlCu2）构成，无空洞，其中的强化相仅发生了聚集现象，这也表明直流活性焊的焊接电流较小，对材料的热影响小，因此形成的组织非常细小。图3d为热影响区的组织照片，其组织比焊缝区和熔合区组织粗大，形成了一个晶粒粗大的过热区；与两种焊缝区和熔合区组织类似的是，热影响区的组织由轧制晶粒组织、聚集的强化相 θ（AlCu2）构成。

分别用直流活性焊技术和变极性等离子弧焊（VPPAW）焊接4 mm厚的2219-T87铝合金，所得到的接头焊缝拉伸强度对比如图4所示。直流活性TIG焊的焊缝强度明显高于变极性等离子焊技术约20 MPa。

图4 直流活性焊技术与变极性等离子弧焊焊缝拉伸强度对比

观察、比较接头最容易发生断裂的熔合区（见图5）微观组织发现：（1）变极性等离子弧焊接2219-T87铝合金，由于焊接电流大，组织较粗大，降低接头性能和质量；（2）在焊接过程中出现气孔，不仅削弱焊缝的有效工件断面，同时带来应力集中，显著降低金属的强度与韧性，不利于动载强度和疲劳强度，甚至还会引起裂纹。而直流正接TIG接头组织细小，强化相仅发生了聚集现象，力学性能更优[5]，显微组织见图3c。