田志杰，劉京威，熊林玉，趙 燕，許春芳，劉琦輝

(首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

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薄板5A06鋁合金VPPA焊縫的補(bǔ)焊性能

田志杰，劉京威，熊林玉，趙 燕，許春芳，劉琦輝

(首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

針對(duì)薄板鋁合金穿孔型變極性等離子焊接可能產(chǎn)生的背面咬邊、溝槽等缺陷，進(jìn)行了手工TIG補(bǔ)焊，分析了3mm厚5A06鋁合金補(bǔ)焊接頭的拉伸性能。結(jié)果表明，采用手工方法補(bǔ)焊溝槽缺陷時(shí)，補(bǔ)焊接頭強(qiáng)度比原始焊縫強(qiáng)度平均值有所降低;采用手工方法補(bǔ)焊等離子弧焊縫長(zhǎng)距離咬邊時(shí)，盡管咬邊補(bǔ)焊加劇了強(qiáng)化相的偏析、晶粒的粗化，但是焊趾處經(jīng)過重熔后，提升了接頭整體強(qiáng)度值。

溝槽；補(bǔ)焊；5A06鋁合金

5A06鋁合金是航天工業(yè)應(yīng)用較廣的材料，由于其具有極強(qiáng)的氧化能力、熱導(dǎo)率大、膨脹系數(shù)大、液態(tài)時(shí)溶解氫的能力強(qiáng)等特點(diǎn)，焊接時(shí)，易在焊縫及熱影響區(qū)中形成各種焊接缺陷，焊接接頭強(qiáng)度不高[1]。采用變極性鎢極氬弧焊(VPTIG)、激光焊等工藝，5A06鋁合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度σb分別可達(dá)到母材金屬的90%[2-3]。熔焊時(shí)，由于熱循環(huán)作用，熱影響區(qū)內(nèi)基材中強(qiáng)化相的析出和晶粒粗化導(dǎo)致其仍是接頭最脆弱部分[4-5]。

變極性等離子弧(VPPA)兼有等離子弧和變極性兩個(gè)特征，既能夠滿足交流焊接的陰極清理作用，又能夠?qū)㈡u極的燒損降到最低。采用VPPA進(jìn)行3mm厚5A06鋁合金薄板的焊接，既能減少焊接氣孔又能降低焊接變形。但在此種情況下，焊接參數(shù)區(qū)間較小，參數(shù)控制不當(dāng)容易產(chǎn)生切割，會(huì)在焊縫背面因反抽形成低于母材表面的長(zhǎng)距離咬邊和短距離溝槽缺陷點(diǎn)。

對(duì)不合格焊縫進(jìn)行修復(fù)和補(bǔ)焊時(shí)，隨著補(bǔ)焊熱循環(huán)次數(shù)的增加，鋁合金接頭的抗拉強(qiáng)度相應(yīng)降低，焊縫熱影響區(qū)的軟化作用更加明顯，由補(bǔ)焊引起的塑性應(yīng)變與原焊縫相疊加使焊縫的拘束度增大，橫向和縱向的殘余應(yīng)力升高，已凝固的固態(tài)金屬冷卻收縮對(duì)最后凝固共晶成分液體產(chǎn)生拉應(yīng)力作用,導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生[6-8]。確定合理的補(bǔ)焊工藝對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)板材為3mm厚 5A06鋁合金，長(zhǎng)度250mm，寬度150mm，其化學(xué)成分列于表1。焊絲為5B06光亮焊絲，焊絲直徑Φ1.6mm；保護(hù)氣及等離子氣采用高純氬氣，純度為99.999%。

表1 5A06及 5B06鋁合金主要成分(wt./%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

變極性等離子焊接電源，正、負(fù)半波電流在額定電流值范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，正、負(fù)半波電流作用時(shí)間也可任意調(diào)節(jié)。電流輸出能力為500A，交流頻率調(diào)節(jié)范圍1～500Hz；等離子焊槍型號(hào)為美國(guó)飛馬特PWM300。

補(bǔ)焊采用手工TIG方式，焊機(jī)采用Dynasty700變極性焊接電源，滿足工件焊接輸入電流5～600A，具有AC Waveshape(基礎(chǔ)交流波形控制)、POLARITY(極性控制)、PROCESS(起弧方式控制)、OUTPUT(輸出控制)、PULSER(調(diào)制脈沖控制)、SEQUENCER(起弧、熄弧過程電流遞增和衰減控制過程)、GAS/DIG(提前送氣、延遲斷氣控制)可調(diào)功能。

2 試驗(yàn)過程

2.1 焊前準(zhǔn)備

將試驗(yàn)材料除去包鋁層，用棉紗浸120#汽油擦拭除油，用剪板機(jī)切割板材成250mm×150mm規(guī)格的試板。采用化學(xué)表面處理方法對(duì)試板表面清理，化銑介質(zhì)及濃度為，氫氧化鈉為90～220 kg/m3，金屬鋁離子含量為20～80 kg/m3。

焊接前，用刮刀刮去表面氧化膜，露出金屬光澤。

由于等離子射流的穿透力較強(qiáng)，在進(jìn)行穿孔焊接時(shí)，其接頭設(shè)計(jì)采用不開坡口的對(duì)接形式。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

變極性等離子穿孔焊接時(shí)，影響穿孔穩(wěn)定性和焊縫成形的因素很多，其中最為明顯的參數(shù)是焊接電流、離子氣流量、送絲速度及鎢極類型等[9]。VPPA焊接時(shí)采用的參數(shù)見表2，手工TIG補(bǔ)焊參數(shù)見表3。

表2 VPPA焊接參數(shù)表

2.3 補(bǔ)焊焊縫的設(shè)計(jì)

當(dāng)薄板焊縫出現(xiàn)咬邊、溝槽時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)。針對(duì)溝槽缺陷位置，利用銑刀刨坑方式，剔除焊縫材料，準(zhǔn)確查找到缺陷位置。對(duì)于長(zhǎng)距離咬邊缺陷，將咬邊處銑削圓滑，加工出寬度深度均勻一致的溝槽，缺陷排除后，用TIG工藝進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊示意圖如圖1。

圖1 焊接接頭補(bǔ)焊示意圖Fig.1 Repair welding diagram

2.4 補(bǔ)焊焊縫拉伸試樣

參照GB/T 228.1-2010金屬材料(拉伸試驗(yàn) 第1部分)縱向拉伸試件的取樣，取寬度為20mm的包含焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、補(bǔ)焊區(qū)及母材的試件(圖2)，通過試驗(yàn)確定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖2 拉伸試樣加工圖Fig.2 Tensile test sample dimensions

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 等離子焊縫形貌

對(duì)兩塊焊接試片的焊縫背面進(jìn)行形貌檢查，部分位置表現(xiàn)為焊趾溝槽和咬邊缺陷，其中，52#、54#、55#、57#、61#、63#為VPPA原始無(wú)缺陷焊縫，53#、56#、62#、64#為焊趾溝槽氣孔夾雜刨坑補(bǔ)焊，65#、66#為咬邊。

等離子焊縫熔池液態(tài)金屬主要受到熔池自身重力、表面張力以及電弧力的作用,這些力決定了熔池的形態(tài)以及最后的焊縫成形，依據(jù)表2焊接參數(shù)，電弧的收縮程度和挺度均很高，穿孔較穩(wěn)定。焊接過程中，穿孔直徑適中(為Φ3.0mm)，熔池?zé)崃窟m宜，焊縫正面余高均勻、外觀成型較好，但在焊縫背面焊趾處，仍然存在局部缺陷點(diǎn)，形成焊趾溝槽和長(zhǎng)距離咬邊現(xiàn)象。成型較好的焊縫形貌如圖3，焊縫正面寬度為6.5±0.2mm，背面寬度3.5±0.2mm；正面余高1.0mm，背面余高0.7mm。焊縫熱影響區(qū)(HAZ)橫截面如圖4所示，焊縫背面焊趾溝槽及咬邊現(xiàn)象如圖5。由于焊接方式采用立式焊接，變極性等離子弧穿孔周圍的液體金屬在多種力的共同作用下保持平衡，形成一定形狀和尺寸的熔池。熔化金屬被排擠在小孔周圍，隨著焊接的進(jìn)行，熔化金屬沿電弧周圍熔池壁向下、向背面流動(dòng)結(jié)晶成形。強(qiáng)烈的穿孔沖刷效應(yīng)和復(fù)雜的熔池金屬流動(dòng)，對(duì)薄板成型帶來(lái)不利影響，當(dāng)焊縫存在焊接間隙或者錯(cuò)邊時(shí)，從而在焊縫背面形成不連續(xù)的焊趾及咬邊等缺陷。

圖3 VPPA焊接接頭正面、背面Fig.3 Frontal and reverse sides of VPPA welded joint

圖4 VPPA HAZ橫截面Fig.4 HAZ cross-section of VPPA welded joint

對(duì)焊縫金相試樣進(jìn)行宏觀分析，從圖4、圖5可以看出，接頭橫截面宏觀形貌顯示出界限分明的熔合區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)。母材與熱影響區(qū)過渡帶明顯，焊接加熱過程中在熱作用的影響下，焊接熱影響區(qū)組織比較粗大，并且晶粒大小不均勻[4]。

3.2 焊接接頭補(bǔ)焊形貌

采用表3參數(shù)對(duì)焊趾處缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊。利用銑刀刨坑方式排除焊趾溝槽缺陷，將咬邊處加工出寬度和深度均勻一致的長(zhǎng)距離溝道，缺陷排除后，進(jìn)行補(bǔ)焊。其中1#、2#為溝槽補(bǔ)焊形貌，3#為咬邊缺陷補(bǔ)焊形貌；補(bǔ)焊時(shí)，部分焊縫經(jīng)歷了二次重熔結(jié)晶，補(bǔ)焊處寬度尺寸有所增大，補(bǔ)焊接頭形貌如圖6。

圖5 VPPA焊接接頭缺陷類型Fig.5 Defect types of VPPA welded joints

圖6 焊接接頭補(bǔ)焊形貌Fig.6 Welded joint appearance after repair

3.3 接頭拉伸性能

根據(jù)圖2對(duì)焊接試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，52#、54#、55#、57#、61#、63#為VPPA原始無(wú)缺陷焊縫，53#、56#、62#、64#為焊趾溝槽補(bǔ)焊焊縫，65#、66#為咬邊補(bǔ)焊焊縫。焊縫拉伸數(shù)據(jù)如表4 。

表4 補(bǔ)焊接頭拉伸強(qiáng)度

圖7為焊縫HAZ補(bǔ)焊前后微觀組織，由圖7可知，補(bǔ)焊前顯微組織為相變重結(jié)晶區(qū)，無(wú)明顯方向性，晶粒纖細(xì)，析出相彌散分布，組織均勻；補(bǔ)焊后，組織經(jīng)過二次熱處理作用，晶粒長(zhǎng)大，析出相增多，呈線狀或者帶狀，組織分布不勻。由于Al-Mg共晶溫度為450℃，如果Mg元素不能完全固溶于Al中，在300℃至452℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Al-Mg第二相粒子。補(bǔ)焊時(shí)，熱輸入的雙重作用，延長(zhǎng)Al-Mg共晶體的形成時(shí)間，促進(jìn)了金屬化合物的長(zhǎng)大。金屬熔體由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程中，α(Al)+β(Mg2Al3)共晶體逐漸偏析聚集、長(zhǎng)大，成為金屬化合物保留于固態(tài)金屬之中[10]。

補(bǔ)焊同時(shí)，由于焊接加熱過程中熱作用的影響，焊接熱影響區(qū)組織比較粗大[4]，因此，接頭斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)。接頭斷裂處有縮頸現(xiàn)象，表明焊接接頭韌性較高，如圖8所示。

圖7 焊縫HAZ補(bǔ)焊前(左)后(右)微觀組織 Fig.7 Microstructure of the HAZ in welded joint before (L) and after (R) repair welding

圖8 接頭拉斷形貌 Fig.8 Tensile fracture morphologies of joints

由表4可知，變極性等離子弧焊接頭的σb在355～370MPa之間，平均值為363MPa；焊趾溝槽補(bǔ)焊接頭的的σb在340～375MPa之間，平均值為357MPa；補(bǔ)焊接頭強(qiáng)度比原始焊縫強(qiáng)度平均值低6MPa，53#、56#、64#補(bǔ)焊區(qū)強(qiáng)度均有所降低。這一點(diǎn)是由補(bǔ)焊引起的塑性應(yīng)變與原焊縫相疊加使焊縫的拘束度增大，橫向和縱向的殘余應(yīng)力升高[7]以及強(qiáng)化相的偏析等引起的。咬邊補(bǔ)焊接頭的σb在370～375MPa之間，平均值為373MPa。補(bǔ)焊接頭強(qiáng)度比原始焊縫強(qiáng)度平均值高10MPa，表明焊趾處經(jīng)過重熔后，提升了整體強(qiáng)度值。這是由于盡管咬邊補(bǔ)焊加劇了強(qiáng)化相的偏析、晶粒的粗化，但是補(bǔ)焊余高增強(qiáng)了接頭強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)焊趾應(yīng)力進(jìn)行了二次分布。

4 結(jié)論

(1)采用焊接電流75～85A、脈沖頻率1.0±0.2Hz、保護(hù)氣體流量9～12 L/min、AC平衡55%的焊接參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)穿孔型變極性等離子弧焊縫咬邊、溝槽的手工補(bǔ)焊;

(2)采用手工TIG方法補(bǔ)焊等離子弧焊縫短距離焊趾溝槽時(shí)，焊縫組織經(jīng)過二次熱處理作用，晶粒長(zhǎng)大，組織分布不勻，析出相增多。補(bǔ)焊引起的拘束度增大，殘余應(yīng)力升高，強(qiáng)化相的偏析加強(qiáng)，補(bǔ)焊接頭強(qiáng)度比原始焊縫強(qiáng)度平均值有所降低。補(bǔ)焊接頭斷裂發(fā)生在熱影響區(qū);

(3)采用手工TIG方法補(bǔ)焊等離子弧焊縫長(zhǎng)距離咬邊缺陷時(shí)，背面補(bǔ)焊距離較長(zhǎng)，盡管補(bǔ)焊加劇了強(qiáng)化相的偏析、晶粒的粗化，但是焊趾處經(jīng)過重熔后，補(bǔ)焊接頭強(qiáng)度比原始焊縫強(qiáng)度平均值高，背面焊縫長(zhǎng)距離補(bǔ)焊對(duì)焊縫拉伸性能有提升作用。

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Study of Properties of Repair Welding for VPPA Weld of 5A06 Alloy Sheet

TIAN Zhijie, LIU Jingwei, XIONG Linyu, ZHAO Yan, XU Chunfang, LIU Qihui

(Capital Spaceflight Machinery Company, Beijing 100076, China)

In order to resolve possible defects including overlap and undercut caused by variable polarity plasma arc (VPPA) welding for aluminum alloy sheet, manual TIG welding was implemented for repair. The paper analyzed tensile properties of repair weld joint of 3mm thick 5A06 alloy. The results showed that strength of the joint was a bit lower than average strength of original weld by manual welding for undercut; overall strength of the joint was improved owe to remelted weld toe by manual welding for overlap even with the intensification in strengthening phase segregation and grains coarsening.

undercut; repair welding; 5A06 alloy

2015-05-15

田志杰(1975-)，碩士，高級(jí)工程師，主要從事鋁合金貯箱制造及焊接技術(shù)的研究。

TG146.21

A

1671-6795(2015)06-0008-05