铝合金PMIG焊接时,解决焊缝根部撕裂现象的研究

王巧云　白清博　刘闯　贾明阳

摘 要：我公司采用PMIG焊机焊接5052、6061铝合金时，在没有进行无损探伤的情况下，外观检查没有焊接缺陷，但在产品的试运行过程中，频繁受力部位经常出现焊缝根部整个撕裂的现象，直接影响产品的质量，从焊机和材料焊接特性分析产生焊缝根部撕裂的原因，优化工艺，归纳总结避免产生焊缝根部撕裂的控制措施。

关键词：铝合金PMIG焊接 根部撕裂 未熔合收弧方法

Research on the Phenomenon of Tearing at the Root of the Weld during PMIG Welding of Aluminum Alloy

Wang Qiaoyun Bai Qingbo Liu Chuang Jia Mingyang

Abstract：When the company uses PMIG welding machine to weld 5052， 6061 aluminum alloy， there is no welding defect in appearance inspection without non-destructive testing. However， during the trial operation of the product， the root of the weld often appears on the frequently stressed parts. The phenomenon of tearing directly affects the quality of the product. From the welding characteristics of the welder and the material， the reasons for the root tear of the weld are analyzed， the process is optimized， and the control measures to avoid the root tear of the weld are summarized.

Key words：aluminum alloy， PMIG welding， root tearing， unfused arc closing method

1 前言

铝合金5052、6061是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝合金密度小，自重轻，强度高，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。其材料特性使其在结构件中的应用日益增多，对铝合金焊接结构的需求，使铝合金的焊接研究逐渐深入。特别是结合公司铝合金焊接的实际情况，铝合金焊接后，外观检查没有焊接缺陷，但是在使用一段时间后，经常出现焊缝根部整个撕裂的现象，严重影响产品质量，解决焊缝根部撕裂现象迫在眉睫。主要从材料的焊接特性和焊机的性能特点方面进行分析，提出有效控制措施。

2 材料的焊接特性

铝合金5052、6061所具有的物理及化学性能，在焊接时会存在一系列困难。了解材料的焊接特点及可能出现的问题，采用合适的焊接方法及相应的工艺措施来保证获得优良的焊接质量。铝合金5052、6061焊接时具有以下焊接特点：

2.1 强的氧化能力

焊接过程中对铝合金的材料进行科学分析时，需要了解其氧化能力较高的特性，且生成后得到的物质较为稳定，难以进行有效处理。同时，受到氧化膜所占比重较大的影响，会对焊接质量产生潜在威胁，加上水分对铝材应用效果的影响，从而影响了铝合金形成过程中的焊缝质量，从而破坏金属的均匀性，降低接头的力学性能。

2.2 高的导热、导电性

相比碳素钢及类似的材质，铝合金应用中的导热性特点更为突出，使得焊接作业进行中产生了较多的热量，并在金属熔池中会逐渐消耗掉。在此期间，因热量损失的影响，会使铝合金焊接质量及应用效果受到了一定的影响。针对这种情况，需要考虑功率大的能源的高效利用，促使铝合金的焊接质量更加可靠，优化其使用功能，满足铝材料科学应用要求，避免增加相应的成本费用。

2.3 容易形成裂纹倾向

铝合金5052、6061焊接时一般不会产生冷裂纹，铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率大、焊件的变形较大，焊接熔池凝固时往往由于过大的收缩内应力而在焊缝金属中产生结晶裂纹。

3 PMIG焊机焊接铝合金的性能

焊接铝合金采用PMIG逆变式脉冲熔化极气体保护焊，PMIG焊接铝合金具有低的热输入量、生产率高、易实现自动化的特点，逆变技术可以保证在焊接过程中电网电压及电弧长度高速平稳变换，电弧自调节能力强。同时，在适宜的电流条件下，会以熔化极气体保护的形式，为焊接质量的有效保护提供专业支持，且电流产生中依赖于频率、幅值变化等，能够实现对进入到熔池中熔滴方面的科学控制。除此之外，在了解铝合金自身特性的前提条件下，加强PMIG焊机使用，实现对焊丝及母材的預热处理，并在基值电流的作用下，也能达到电弧燃烧中稳定性提高的目的。

平均电流值比临界电流值低，热输入量小;焊接电流的调节范围宽，调节平均焊接电流即调节送丝速度，既可用于薄板δ≥1.0mm焊接，又可用于厚板的焊接。 由于电源输出特性为直流反接，阴极雾化能力强，有效地清除Al2O3薄膜。

4 PMIG焊接铝合金时，产生焊缝根部撕裂的原因

结合铝合金的材料焊接特性及PMIG焊机焊接性能和产品结构特点，分析产生焊缝根部撕裂的原因有焊缝根部未熔合和收弧弧坑裂纹引起应力集中两种可能。

4.1 未熔合

未熔合是焊接时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合在一起的缺陷，未熔合是一种虚焊，是一种面积型缺陷，明显减少了承载截面积，应力高度集中，是焊缝最危险的缺陷之一。考虑采取以下控制措施：

a.清理坡口和根部表面油污及杂质;

b.焊接速度太快，焊缝未充分熔合;

c.增大焊接电压，增大熔宽。

d.单侧有熔深另外一侧無熔深时，说明焊接操作技术不当，调整一下焊枪角度和缩短一下焊丝干伸长度;

在焊接方法确定的条件下，结构的形状、尺寸、位置、表面状态的差异，以及焊工操作的熟练程度都可以产生未熔合的缺陷。结构形状复杂，会进一步增加结构本身的储热能力，使得原有焊接热源的比功率下降，导致未熔合。

4.2 收弧方法

弧坑是指在焊接收尾处（焊缝终端）形成低于焊缝高度的凹陷坑，是一种较为常见的焊缝外部缺陷，主要出现在焊缝末端或焊缝接头处，弧坑是金属结晶杂质聚集区和最大焊接内力区，在接头受力时成为薄弱环节，不但减弱焊缝强度，还会在冷却过程产生裂纹。焊条在收弧处稍多停留一会，用焊丝填满弧坑，能够防止产生弧坑缺陷。或者在焊接收弧区形成凸起，目的是避免焊缝中产生由收弧所引起的焊接缺陷，并将收弧缺陷尽可能的滞留于焊缝表面的凸起中，磨平凸起;焊缝打磨后再次进行焊接时，焊缝起弧处要搭接在在前段焊缝至少25mm的长度处，搭接的目的就是把起弧引起的地缺陷滞留在搭接的焊缝金属中，保证焊缝接头处的焊接质量，焊接完成后去除焊缝表面的25mm焊缝搭接余高。

减少弧坑裂纹的主要措施：

a.弧坑裂纹是因为断弧时熔池中心在没有热源的条件下凝固，在冷却时产生了较大冷却速度。因此在焊接时不要采用过高的焊接速度，在收弧时采用收弧板并逐渐断弧，以降低冷却速度。

b.由于收弧处杂质和低溶组分聚集在该处，加之熔池搅拌不强烈等综合因素形成所谓的“脆断面”，为减少这种影响，在焊接工艺上，应使该处熔池变得宽而浅，采用适当的焊接坡口和焊接方法，提高焊缝成型系数。

c.由于收弧处，焊缝金属凝固过程中处于拉应力状态，而拉应力又是产生此裂纹的外因，因此可采用预应力方法，即在收弧处施加预压应力，或者选择合理的焊接顺序和焊接方向，以减少收弧处的拉应力，防止裂纹的产生。

5 对未熔合及弧坑缺陷的处理

发现焊缝出现未熔合缺陷时，用钢质扁铲或者电动铲铲除未熔合处的焊缝金属后补焊;出现弧坑缺陷时， 对焊缝进行仔细的清理，在收弧处稍多停留一会，用焊丝填满焊缝。

6 解决焊缝根部撕裂的控制措施

防止和消除焊缝根部撕裂的措施应针对其产生的原因。除了在设计上考虑以外，可采取的相应措施有：

6.1 增大焊接电压、电流

铝合金本身的导热系数大（约为钢的2-3 倍） ，散热快。在保证焊缝熔透和熔合良好的条件下，应在焊接工艺规程允许范围内尽量采用大电流、快速施焊，焊丝的横向摆动幅度不宜超过其直径的三倍。无特殊要求时焊件焊前不进行预热，多层焊时层面温度应尽可能低，不宜高于100℃。

6.2 起弧、收弧要求

起弧点焊接温度低，应增大起弧电流，约为正常电流的1.5倍，加长焊接时间约为0.2-0.5s;正常焊接过程中，随着时间的变化，母材温度会升高，熔池会扩大，应加快焊接速度，控制枪头摆动幅度，以控制焊接质量;收弧点焊接温度高，易形成弧坑，应减小收弧电流，增加收弧时长，以弥补弧坑缺陷，收弧点应引至焊缝一侧，不能留在焊缝中间，以防引起焊缝开裂。起弧、收弧点避开应力集中区。焊缝起弧处要搭接在在前段焊缝至少25mm的长度处;收弧点弧坑填满后，需要将焊接弧坑修整打磨至焊缝和周围母材平滑过渡。

6.3 焊枪角度的选择

作业人员在实施焊接操作的过程中，为了降低其缺陷问题发生的概率，需要选择好焊枪角度。在此期间，应将其角度控制在90°左右的范围内，并根据实际情况进行有效调整，使得焊枪在实践应用中能够取得良好成效。

6.4 改变焊接位置

立焊时，要用焊丝拖着熔池向上走，左右呈弧度摆动，控制焊缝宽度和熔池大小，对于频繁受力部位可采用工装使平焊位代替其它位置的焊接。

6.5 设置引弧板和熄弧板

纵焊缝两端应装上铝制的引弧板和熄弧板，纵环焊缝清除弧坑后接续焊时，也宜在引弧板上引燃电弧，待电弧燃烧稳定后再进行焊接 焊接过程中，如果熄弧后再引弧，则需要对接头处进行打磨处理后方能重新引弧，接头处需打磨成斜坡平滑过渡。

按照工艺要求及采取上述方案做相关的试件后，通过无损探伤试验，发现焊缝根部问题确实没有了，说明采取以上方案能够有效解决焊缝根部撕裂现象。

参考文献：

[1]陈志强、李芳.关于铝合金PMIG焊接技术的研究现状.轻金属与高强材料焊接国际论坛.

[2]魏兆种.铝合金焊接裂纹产生的原因和预防措施.工程材料.