崔衛(wèi)則，李 青，謝新義，秦永強(qiáng)，張立強(qiáng)，李韶華

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046012)

0 引言

近年來(lái)，隨著航空航天等行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)輕金屬高質(zhì)量和高效率的焊接方法提出了更高的要求。5A06鋁合金由于其化學(xué)性質(zhì)活潑、熱導(dǎo)率高及線膨脹系數(shù)較大等特點(diǎn)，在普通單電弧焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔及裂紋等缺陷。與普通單電弧焊接相比，復(fù)合焊接技術(shù)能夠有效地提升焊接質(zhì)量和效率。VPPA/TIG復(fù)合焊接技術(shù)一直是焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，該項(xiàng)技術(shù)充分利用變極性等離子弧焊和TIG焊的優(yōu)勢(shì)，將兩個(gè)熱源復(fù)合后可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，形成高質(zhì)高效的復(fù)合熱源[1]。變極性等離子弧(Variable Polarity Plasma Arc，VPPA)焊接技術(shù)是一種針對(duì)鋁合金焊接而開(kāi)發(fā)的技術(shù)，其電流波形是正負(fù)極性交替的方波，正極性階段時(shí)，等離子弧的高能量輸入可以確保焊縫的質(zhì)量，而反極性階段高效清除鋁合金表面的氧化膜，從而提高了焊縫的質(zhì)量[2]。TIG焊接方法電弧穩(wěn)定，具有良好的焊縫蓋面能力。李國(guó)偉等[3]研究了7075鋁合金變極性等離子弧焊接，張勤練等[4]研究了2A14鋁合金變極性等離子弧橫向焊接工藝，孔祥峰等[5]研究了2219鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦與變極性等離子交叉焊。本文采用VPPA/TIG復(fù)合焊方法，對(duì)5A06鋁合金進(jìn)行了焊接，并分析焊縫組織及其對(duì)力學(xué)性能的影響，對(duì)實(shí)際焊接生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

母材選用25 mm厚5A06-H112鋁合金，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》)，室溫力學(xué)性能見(jiàn)表2(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3880.2—2012《一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材第2部分：力學(xué)性能》)。VPPA焊填充焊絲采用Φ1.6 mm的5A06光亮焊絲，TIG焊填充焊絲采用Φ4 mm的5A06光亮焊絲。

1.2 焊接工藝規(guī)范

焊接試板正面未開(kāi)坡口側(cè)采用VPPA焊，背面開(kāi)坡口側(cè)采用多層多道自動(dòng)TIG焊，試板坡口形式見(jiàn)圖1。

表1 5A06-H112鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 5A06-H112室溫力學(xué)性能

圖1 試板坡口形式

目前國(guó)內(nèi)外的變極性等離子焊接正反極性時(shí)間比通常選定在19∶4，使用經(jīng)驗(yàn)表明：5A06鋁合金正反極性時(shí)間比通常選定在19∶3。鎢極直徑、內(nèi)縮量均為4 mm。噴嘴孔徑選用4 mm，噴嘴高度為4 mm。起弧后先采用100 A的預(yù)熱電流進(jìn)行預(yù)熱，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

焊接前利用角磨機(jī)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。層間溫度控制在70 ℃左右。在保證焊透的前提下減小焊接熱輸入，從而減少接頭變形量。

1.3 試驗(yàn)方法

焊后采用數(shù)控車床車成拉伸試樣，沿垂直于焊縫方向取小塊試樣，磨制成金相試樣，然后在5 mL HF+25 mL HNO3+75 mL HCl混合溶液中腐蝕3 min左右，使用金相顯微鏡觀察焊接接頭顯微組織。接著，對(duì)焊縫進(jìn)行X射線探傷。最后，在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫質(zhì)量及形貌

在VPPA/TIG復(fù)合焊焊接工藝中，VPPA焊接技術(shù)的最大工藝特點(diǎn)是焊接過(guò)程的熔池中存在小孔，可以有效地排除熔池內(nèi)的氣孔和夾雜，焊縫具有較高的質(zhì)量。圖2、圖3分別為VPPA焊?jìng)?cè)焊縫和TIG焊?jìng)?cè)焊縫。從圖2可以看出，正面VPPA焊焊縫成形良好，光亮平整，無(wú)魚(yú)鱗波紋，焊縫寬度大約在10 mm左右，焊縫無(wú)焊瘤、未熔合、塌陷等表面缺陷。從圖3可以看出，背面自動(dòng)TIG焊縫表面具有細(xì)密的魚(yú)鱗紋，而且寬度在5 mm左右。

表3 焊接工藝參數(shù)

圖2 VPPA焊?jìng)?cè)焊縫 圖3 TIG焊?jìng)?cè)焊縫

2.2 焊縫顯微組織特征

圖4為焊接接頭宏觀形貌，從圖中可以明顯看出界限分明的焊縫區(qū)及母材區(qū)。圖5為母材及焊縫區(qū)顯微組織。由圖5(a)可知，由于母材不受焊接熱循環(huán)影響，不存在組織上的轉(zhuǎn)變，仍保持原始軋制態(tài)纖維狀，組織為α(Al)和少量析出強(qiáng)化相。圖5(b)和圖5(c)為焊縫區(qū)顯微組織，主要由白色的α(Al)固溶體基體以及在α(Al)基體上分布著的細(xì)小、黑色的金屬間化合物β(Mg2Al3)相等組成。

圖4 焊接接頭宏觀形貌

從圖5(b)和圖5(c)可看出，VPPA焊焊縫區(qū)組織與TIG焊焊縫區(qū)組織特點(diǎn)有所不同。由圖5(b)可知，VPPA焊焊縫區(qū)顯微組織基本呈現(xiàn)不規(guī)則的等軸非枝晶結(jié)構(gòu)，而且晶界之間存在一定量析出的第二相顆粒。顯微組織研究表明：相對(duì)于母材組織，焊縫區(qū)組織經(jīng)過(guò)熱處理作用，晶粒長(zhǎng)大，分界面參差不齊，組織分布不勻;焊縫區(qū)析出相增多，呈線狀或者帶狀，這是因?yàn)槿绻鸐g元素不能完全固溶于Al中，在300 ℃～450 ℃時(shí)，由于元素偏析，會(huì)產(chǎn)生Mg2Al3第二相粒子，它們彌散在基體金屬中。從圖5(c)可知，隨著焊接熱輸入的增加，TIG焊焊縫的顯微組織比較粗大，并且晶粒大小不均勻，焊縫區(qū)析出的形貌呈圓片狀，第二相β(Mg2Al3)相數(shù)量明顯增加，且β相形成細(xì)小均勻、彌散分布的粒狀組織。

2.3 焊縫X射線檢測(cè)

對(duì)焊縫按NB/T47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第2部分：射線檢測(cè)》進(jìn)行X射線無(wú)損檢測(cè)，結(jié)果表明，焊縫處未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜、未焊透、熔合等缺陷。焊縫質(zhì)量滿足QJ176B—2016《地面設(shè)備熔焊技術(shù)條件》中Ⅰ級(jí)要求。

圖5 母材及焊縫區(qū)顯微組織

由于采用立焊的工藝，變極性等離子弧強(qiáng)烈的穿孔沖刷效應(yīng)和復(fù)雜的熔池金屬流動(dòng)，有效地消除了氣孔和固體雜質(zhì)。因此對(duì)氣孔非常敏感的5A06鋁合金當(dāng)采用變極性等離子弧焊工藝時(shí)，焊縫裂紋氣孔等缺陷發(fā)生率非常低，焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)良。

2.4 焊縫拉伸力學(xué)性能測(cè)試

焊后取試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖6、圖7所示。由圖7可知，斷裂位置均出現(xiàn)在母材。

圖6 拉伸試樣制取 圖7 拉伸試驗(yàn)斷裂

拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。焊縫強(qiáng)度超過(guò)母材強(qiáng)度，說(shuō)明該VPPA/TIG復(fù)合焊方法能夠有效保證厚板5A06的焊縫質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1) 焊縫顯微組織分析表明：VPPA焊焊縫區(qū)組織晶粒長(zhǎng)大，分界面參差不齊，組織分布不勻，析出相明顯增多，呈線狀或者帶狀；TIG焊焊縫區(qū)析出相增加，呈圓片狀且細(xì)小均勻、彌散分布。

(2) X射線無(wú)損檢測(cè)結(jié)果表明：焊縫處未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜、未焊透、熔合等缺陷。焊縫質(zhì)量滿足Ⅰ級(jí)要求。

(3) 拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明：斷裂位置均出現(xiàn)在母材，焊縫處強(qiáng)度優(yōu)于母材。

表4 5A06焊接接頭室溫力學(xué)性能測(cè)量值