5A06铝合金VPPA/TIG复合焊接头组织与性能研究

崔卫则，李 青，谢新义，秦永强，张立强，李韶华

(山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治 046012)

0 引言

近年来，随着航空航天等行业的快速发展，对轻金属高质量和高效率的焊接方法提出了更高的要求。5A06铝合金由于其化学性质活泼、热导率高及线膨胀系数较大等特点，在普通单电弧焊接过程中容易产生气孔及裂纹等缺陷。与普通单电弧焊接相比，复合焊接技术能够有效地提升焊接质量和效率。VPPA/TIG复合焊接技术一直是焊接领域的研究热点，该项技术充分利用变极性等离子弧焊和TIG焊的优势，将两个热源复合后可以优势互补，形成高质高效的复合热源[1]。变极性等离子弧(Variable Polarity Plasma Arc，VPPA)焊接技术是一种针对铝合金焊接而开发的技术，其电流波形是正负极性交替的方波，正极性阶段时，等离子弧的高能量输入可以确保焊缝的质量，而反极性阶段高效清除铝合金表面的氧化膜，从而提高了焊缝的质量[2]。TIG焊接方法电弧稳定，具有良好的焊缝盖面能力。李国伟等[3]研究了7075铝合金变极性等离子弧焊接，张勤练等[4]研究了2A14铝合金变极性等离子弧横向焊接工艺，孔祥峰等[5]研究了2219铝合金进行搅拌摩擦与变极性等离子交叉焊。本文采用VPPA/TIG复合焊方法，对5A06铝合金进行了焊接，并分析焊缝组织及其对力学性能的影响，对实际焊接生产具有指导意义。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

母材选用25 mm厚5A06-H112铝合金，其主要化学成分见表1(国家标准GB/T3190—2008《变形铝及铝合金化学成分》)，室温力学性能见表2(国家标准GB/T3880.2—2012《一般工业用铝及铝合金板、带材第2部分：力学性能》)。VPPA焊填充焊丝采用Φ1.6 mm的5A06光亮焊丝，TIG焊填充焊丝采用Φ4 mm的5A06光亮焊丝。

1.2 焊接工艺规范

焊接试板正面未开坡口侧采用VPPA焊，背面开坡口侧采用多层多道自动TIG焊，试板坡口形式见图1。

表1 5A06-H112铝合金化学成分(质量分数) %

表2 5A06-H112室温力学性能

图1 试板坡口形式

目前国内外的变极性等离子焊接正反极性时间比通常选定在19∶4，使用经验表明：5A06铝合金正反极性时间比通常选定在19∶3。钨极直径、内缩量均为4 mm。喷嘴孔径选用4 mm，喷嘴高度为4 mm。起弧后先采用100 A的预热电流进行预热，具体工艺参数见表3。

焊接前利用角磨机打磨母材表面的氧化膜，并用丙酮去除母材上的水分和油污。层间温度控制在70 ℃左右。在保证焊透的前提下减小焊接热输入，从而减少接头变形量。

1.3 试验方法

焊后采用数控车床车成拉伸试样，沿垂直于焊缝方向取小块试样，磨制成金相试样，然后在5 mL HF+25 mL HNO3+75 mL HCl混合溶液中腐蚀3 min左右，使用金相显微镜观察焊接接头显微组织。接着，对焊缝进行X射线探伤。最后，在电子拉伸试验机上进行拉伸试验。

2 试验结果及分析

2.1 焊缝质量及形貌

在VPPA/TIG复合焊焊接工艺中，VPPA焊接技术的最大工艺特点是焊接过程的熔池中存在小孔，可以有效地排除熔池内的气孔和夹杂，焊缝具有较高的质量。图2、图3分别为VPPA焊侧焊缝和TIG焊侧焊缝。从图2可以看出，正面VPPA焊焊缝成形良好，光亮平整，无鱼鳞波纹，焊缝宽度大约在10 mm左右，焊缝无焊瘤、未熔合、塌陷等表面缺陷。从图3可以看出，背面自动TIG焊缝表面具有细密的鱼鳞纹，而且宽度在5 mm左右。

表3 焊接工艺参数

图2 VPPA焊侧焊缝 图3 TIG焊侧焊缝

2.2 焊缝显微组织特征

图4为焊接接头宏观形貌，从图中可以明显看出界限分明的焊缝区及母材区。图5为母材及焊缝区显微组织。由图5(a)可知，由于母材不受焊接热循环影响，不存在组织上的转变，仍保持原始轧制态纤维状，组织为α(Al)和少量析出强化相。图5(b)和图5(c)为焊缝区显微组织，主要由白色的α(Al)固溶体基体以及在α(Al)基体上分布着的细小、黑色的金属间化合物β(Mg2Al3)相等组成。

图4 焊接接头宏观形貌

从图5(b)和图5(c)可看出，VPPA焊焊缝区组织与TIG焊焊缝区组织特点有所不同。由图5(b)可知，VPPA焊焊缝区显微组织基本呈现不规则的等轴非枝晶结构，而且晶界之间存在一定量析出的第二相颗粒。显微组织研究表明：相对于母材组织，焊缝区组织经过热处理作用，晶粒长大，分界面参差不齐，组织分布不匀;焊缝区析出相增多，呈线状或者带状，这是因为如果Mg元素不能完全固溶于Al中，在300 ℃～450 ℃时，由于元素偏析，会产生Mg2Al3第二相粒子，它们弥散在基体金属中。从图5(c)可知，随着焊接热输入的增加，TIG焊焊缝的显微组织比较粗大，并且晶粒大小不均匀，焊缝区析出的形貌呈圆片状，第二相β(Mg2Al3)相数量明显增加，且β相形成细小均匀、弥散分布的粒状组织。

2.3 焊缝X射线检测

对焊缝按NB/T47013.2—2015《承压设备无损检测第2部分：射线检测》进行X射线无损检测，结果表明，焊缝处未发现气孔、夹杂、未焊透、熔合等缺陷。焊缝质量满足QJ176B—2016《地面设备熔焊技术条件》中Ⅰ级要求。

图5 母材及焊缝区显微组织

由于采用立焊的工艺，变极性等离子弧强烈的穿孔冲刷效应和复杂的熔池金属流动，有效地消除了气孔和固体杂质。因此对气孔非常敏感的5A06铝合金当采用变极性等离子弧焊工艺时，焊缝裂纹气孔等缺陷发生率非常低，焊缝质量优良。

2.4 焊缝拉伸力学性能测试

焊后取试样进行拉伸试验，如图6、图7所示。由图7可知，断裂位置均出现在母材。

图6 拉伸试样制取 图7 拉伸试验断裂

拉伸试验结果如表4所示。焊缝强度超过母材强度，说明该VPPA/TIG复合焊方法能够有效保证厚板5A06的焊缝质量。

3 结论

(1) 焊缝显微组织分析表明：VPPA焊焊缝区组织晶粒长大，分界面参差不齐，组织分布不匀，析出相明显增多，呈线状或者带状；TIG焊焊缝区析出相增加，呈圆片状且细小均匀、弥散分布。

(2) X射线无损检测结果表明：焊缝处未发现气孔、夹杂、未焊透、熔合等缺陷。焊缝质量满足Ⅰ级要求。

(3) 拉伸试验结果表明：断裂位置均出现在母材，焊缝处强度优于母材。

表4 5A06焊接接头室温力学性能测量值