5A06铝合金薄壁筒形件脉冲交流TIG焊工艺研究*

2020-04-13温斌和

焊管 2020年3期

强伟，温斌和，马欢，李欢

（1.西安石油大学材料科学与工程学院，西安710065；2.厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建厦门361023；3.金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏苏州 215028）

5A06 铝合金属于铝镁系非热处理强化铝合金，具有良好的抗腐蚀断裂韧性和焊接性能，是一种综合性能良好的铝合金，在航空航天、汽车制造、船舶、容器等领域得到了广泛应用，成为性能理想的轻量化材料[1-4]。船舶舾装时采用的某筒形关键部件由于壁厚较薄，采用船舶制造过程中广泛应用的手工熔化极气体保护焊（GMAW）容易出现焊缝成形质量一致性差、断续性焊穿等问题，往往需要多次无损探伤并进行补焊才能完成，反复修补的热循环对接头性能影响较大。脉冲TIG 焊采用可控的脉冲电流加热工件，在峰值电流期间加热熔化工件形成点状熔池，在基值电流期间冷却使熔池凝固，整个焊接过程是一个断续的加热过程，焊缝由一个一个点状的熔池叠加而成[5]。采用脉冲电流，可以减少焊接电流的有效值，能有效控制焊件的热输入[6]，细化晶粒[7]，减小热影响区宽度，降低焊接变形[8-10]，十分适用于薄板焊接。另外，铝合金焊接的突出问题之一就是焊缝气孔的产生，这严重制约了铝合金焊接质量的提高，采用脉冲电流还有利于搅拌熔池，促进熔池流动，使气体能够更快逸出，进而减少焊缝气孔缺陷[11-13]。

1 试验材料及方法

图1 筒形试验件结构示意图

筒形构件的结构如图1 所示，由左右法兰和中部圆筒主体构成，需要采用两条环形焊缝连接。材质为5A06 铝合金，材料化学成分见表1[14]。左端盖的中心孔直径为40 mm，中间圆筒规格为Φ245 mm×600 mm×2.5 mm，右端盖的中心孔直径为200 mm，因采用双面焊工艺施焊难度较大，故本研究选用单面焊双面成形的机器人自动焊工艺。通过前期的工艺探索发现，不附加脉冲的交流方波TIG 焊易出现焊缝起始阶段难以熔透，而在焊缝中部和末端极易出现熔池坍塌甚至焊穿，如图2 所示。因而改用交流脉冲TIG 焊工艺。采用平焊位置时，发现熔池在重力的作用下，坍塌倾向大幅增加，故选择立焊位置进行作业。另外，由于工件壁厚较薄，因此采用不填充焊丝的自熔焊方式。

焊接设备为福尼斯Magicwave3000 交直流TIG 焊机及安川机器人焊接系统，主要工装为一台旋转-倾翻模式的双轴变位机，进行工件的旋转及翻转作业。试验前采用角磨机对试验件表面氧化物进行清理，并用丙酮清理油污，而后固定于变位机上，操作机器人开始自动焊接。

表1 5A06 铝合金的化学成分 %

图2 非脉冲交流方波TIG 焊正反面成形

2 试验结果与分析

2.1 单面脉冲焊焊接工艺规范

由焊接试验得到了该结构合理的焊接工艺参数，见表2。筒形件的焊缝表面形貌如图3 所示。

通过观察5A06 铝合金焊接接头可以看出：焊缝表面光亮，且呈鱼鳞状分布，熔宽一致性良好，由于采用自熔焊工艺，焊缝表面几乎与周围母材平齐。焊接规范中，左端法兰的焊缝采用了较大的脉冲峰值电流，因为左端法兰体积较大，散热较快，而右端法兰的体积较小，散热较慢，因而左端法兰的热输入大于右侧，否则可能出现未焊透的状况。

表2 脉冲TIG 焊工艺参数

图3 筒形件焊缝表面形貌

2.2 焊接接头的显微组织

对焊接件进行金相试样采样，并进行相应的金相试样制备后，采用金相显微镜观察显微组织，图4 为5A06 铝合金脉冲TIG 焊焊接接头显微组织。

图4 （a）为母材组织，其轧制工艺特征明显，组织呈纤维条带状，具有明显的方向性，组织为 α-Al 和少量的析出强化相。图4 （b）为熔合区组织，熔合线两侧分别为热影响区和焊缝，热影响区的纤维条带组织开始模糊，部分区域已经完全消失，焊缝区的组织为基体上弥散分布细小的第二相。图4 （c）为焊缝区组织，结合铝-镁合金相图分析可知，组织为α-Al 和β-Al3Mg2及少量的析出强化相，β-Al3Mg2弥散分布在α-Al 上，起弥散强化作用。图5 为焊缝组织的扫描电镜照片，可清楚地看到β-Al3Mg2呈点状或链状分布。通过图像处理（首先标记第二相区域，然后对图像进行二值化处理，最后计算黑色部分面积占总面积的比例）的方法计算得知，第二相β-Al3Mg2在整个组织中所占比例为14.8%。

图4 5A06 铝合金脉冲TIG 焊焊接接头显微组织

图5 焊缝区组织扫描电镜照片

2.3 显微硬度及接头软化机理分析

接头的硬度分布一定程度上反映了接头的力学性能，硬度的低谷对应的区域是接头软化最严重的位置。为了进一步了解接头不同区域强度的分布情况，进行接头显微硬度检测，测试参数：加载载荷为 0.1 kgf，加载时间为 10 s，测试点间距为0.3 mm，所测的显微硬度分布曲线如图6 所示，由图6 可知，所测试的焊缝宽度约为5.5 mm。母材硬度约为83HV0.1，接头存在较为明显的软化现象，且接头区的显微硬度值波动起伏大，这是因为焊接热循环相当于一个局部快热快冷的热处理工艺，且为移动热源，因而使得接头组织为一种非平衡组织，从而在显微硬度值上表现为一种硬度起伏现象。

图6 焊接接头显微硬度分布曲线

图7 焊缝横向Mg 元素分布

对于接头软化机理的研究，汪兴均等[15]对5A06 铝合金电子束焊接接头Mg 元素的蒸发烧损行为进行了研究，其结果表明Mg 元素的烧损程度与接头软化程度呈正比，即烧损程度越大，软化越严重。鉴于此，采用扫描电镜对焊缝横向进行线扫描，分析Mg 元素的分布情况。测试结果如图7 所示。由图7 可以看出，有一点处Mg元素含量为零，此处应为孔洞或为不含Mg 元素的夹杂。由于采集点较密集，使得元素分布呈噪声信号分布，故对分布图进行描线处理，以便对数据进行分析。显微硬度分布曲线（见图6）中，在近焊缝中心两侧存在硬度低谷，而Mg 元素分布曲线（见图7）中，在近焊缝中心两侧也存在Mg 元素含量低谷现象，因此可认为5A06铝合金接头软化现象与Mg 元素在焊接过程中的烧损有关。而且从图7 可以看出存在一个小角度的上升通道，从扫描轨迹可知，扫描路线与试样焊缝并不是完全垂直的，存在轻微的倾斜（扫描线两端与工件边缘的距离d＜D），故在距焊缝表面不同深度处Mg 元素的烧损程度不均匀，这与热量在焊缝中的传输有关。近焊缝表面处焊缝金属的温度比远焊缝表面处高，因而导致Mg 元素的烧损程度不一致，在扫描电镜元素分析分布图上表现为一个小角度的上升通道。