吳 斌

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所,云南 昆明 650101)

鋁合金由于具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航海、航空、高速列車等行業(yè)中作為構(gòu)件被大量采用[1]，其中不同壁厚管件的使用占了很大比例.鋁的化學(xué)性活潑，與空氣接觸時(shí)會(huì)生成一層致密的Al2O3薄膜，鋁及其合金較強(qiáng)的氧化能力也會(huì)阻礙金屬間的良好結(jié)合，給焊接帶來(lái)一定的難度.鋁合金熔化溫度低、導(dǎo)熱能力差，薄壁鋁合金管焊接時(shí)更容易熔化坰塌，焊縫成形困難，易產(chǎn)生裂紋、夾雜及氣孔[2].

目前常見(jiàn)的鋁合金焊接方法主要有電弧焊(arc welding)、攪拌摩擦焊(friction stir welding)、 電子束焊(electron beam welding)、激光焊(laser welding)[3]等焊接方式.

本文研究了2段 ΦP426 mm×ΦP380 mm×1750 mm規(guī)格的5A06鋁擠壓管的接頭鴿極氫弧焊TIG的焊接工藝，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)際的生產(chǎn)焊接，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，確定了適用于該類型薄壁長(zhǎng)外管體的最優(yōu)焊接工藝.試驗(yàn)結(jié)果表明，在該工藝條件下，所獲得的焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定，相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)完全能達(dá)到國(guó)軍標(biāo)Ⅰ級(jí)要求，且焊縫美觀.該研究方法可適用千各類壁厚的鋁及鋁合金管件的焊接，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益.

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材料為 ΦP426 mm×ΦP380 mm×1 750 mm 規(guī)格的5A06鋁擠壓管，焊接氣體是純度為99.99%的高純氫氣，采用ΦP1.2 mm的ER5356焊絲，表面尤氧化皮、油、脂等異物，外管體裝夾圓周跳動(dòng)量不大千 0.5 mm，焊接場(chǎng)地周圍無(wú)污物，無(wú)影響焊接質(zhì)量的油、脂、潤(rùn)滑劑等雜物存在，環(huán)境濕度不大千60%，焊前對(duì)管體在270～320 ℃ 范圍內(nèi)保持2～4 h的預(yù)熱，氫氣流量為16-18 L/min，瓶?jī)?nèi)氣壓不低千2 MPa.

使用XXQ1005型X射線探傷儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行無(wú)損探傷，采用0LYMPUSBH-2金相顯微鏡觀察接頭的顯微組織，Quant-200掃描電鏡對(duì)焊層組織形態(tài)和斷口形貌進(jìn)行觀察和分析.根據(jù)前期的試驗(yàn)及相關(guān)研究[4-5]，對(duì)管體接頭質(zhì)量能產(chǎn)生明顯影響的是焊接電流、焊槍角度、工件轉(zhuǎn)速、送絲速度等.研究采用的是4因素4水平，結(jié)合分析研究的需要，第一階段選取5因素4水平的正交試驗(yàn)方案L16(45)進(jìn)行16組試驗(yàn)[6].為了提高統(tǒng)計(jì)分析的精確性和可靠性，在研究的第2階段，采用與第1階段相同的焊接工藝參數(shù)，相應(yīng)地重復(fù)了2次試驗(yàn)，最終獲得了3組48個(gè)數(shù)據(jù).對(duì)A(焊接電流)、B(焊槍角度)、C(工件轉(zhuǎn)速)、D(送絲速度)4 個(gè)因素各取4個(gè)水平，正交設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1.

表1 因素水平表

用于判定焊接接頭的性能指標(biāo)主要有抗拉強(qiáng)度σb、伸長(zhǎng)應(yīng)力σ02、斷后伸長(zhǎng)率δ5,為便于對(duì)最終焊接接頭的綜合性能進(jìn)行評(píng)定，結(jié)合前期試驗(yàn)采用綜合評(píng)分,綜合指標(biāo)的評(píng)分關(guān)系如下：

總分M=抗拉強(qiáng)度×3+伸長(zhǎng)應(yīng)力×l+斷后伸長(zhǎng)率×2 000-1 190，

(1)

式中：抗拉強(qiáng)度為: 抗拉強(qiáng)度是金屬由均勻塑性形變向局部集中塑性變形過(guò)渡的臨界值，也是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力；伸長(zhǎng)應(yīng)力為: 試樣標(biāo)距部分的伸長(zhǎng)(彈性伸長(zhǎng)和塑性伸長(zhǎng))達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力；斷后伸長(zhǎng)率為金屬材料塑性的一個(gè)重要指標(biāo)，其數(shù)值越大，表示金屬材料的塑性越好.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交設(shè)計(jì)的結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)際分析的需要，本文僅列出第一階段試驗(yàn)結(jié)果的16組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2.采用(1)式對(duì)這些數(shù)據(jù)的評(píng)分結(jié)果用M表示.

表2 第1階段試驗(yàn)結(jié)果的綜合評(píng)分

正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.對(duì)3次試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)分見(jiàn)表3中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ列.各組的評(píng)分之和用Q代表.為方便后面準(zhǔn)確地進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，本文做如下定義：Kij為第i列因素j水平所對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)分Q值之和，可得K1j、K2j、K3j及其平方Klj2、K2j2、K3j2.重復(fù)試驗(yàn)的方差分析時(shí)，每號(hào)試驗(yàn)重復(fù)數(shù)為3,在計(jì)算K1j、K2j、K3j時(shí)，是以各號(hào)試驗(yàn) 下“3 個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)之和”進(jìn)行計(jì)算.為簡(jiǎn)便直觀分析結(jié)果，本文還對(duì)第1階段的 16 組數(shù)據(jù)進(jìn)行了極差分析，定義Kij為第1階段試驗(yàn)的評(píng)分值的第i列因素j水平的和.

從上述對(duì)第一階段試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)分，直觀分析得出的最優(yōu)組合是A3B2C2D1，但是這個(gè)結(jié)果只能說(shuō)明第一階段試驗(yàn)結(jié)果的情況，為了進(jìn)一步驗(yàn)證最優(yōu)的焊接工藝組合，本文將采用表3中的3組綜合評(píng)分之和做方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4.

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果計(jì)算表

表4 方差分析表

4個(gè)因素的作用高度顯著，根據(jù)F值的大小來(lái)判斷，因素作用的主次順序?yàn)镃、B、D、A.通過(guò)比較Kij值，可得最優(yōu)水平組合A3B2C2D1，與上述直觀分析中僅采用第1階段試驗(yàn)結(jié)果的直觀分析一致，說(shuō)明第1階段的16組數(shù)據(jù)比較理想，能代表3組數(shù)據(jù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的反應(yīng).但在表3中，試驗(yàn)結(jié)果中評(píng)分最高的是A3B4C2D1.在這2個(gè)焊接工藝的組合里，僅在B因素上出現(xiàn)了差別.為了驗(yàn)證最終的結(jié)果，對(duì)上述2種組合各進(jìn)行五組試驗(yàn)，結(jié)果顯示兩種組合條件下，該型焊管接頭的抗拉強(qiáng)度σb、伸長(zhǎng)應(yīng)力σ0.2、后伸長(zhǎng)率δ5等方面的指標(biāo)相差不明顯，可認(rèn)為兩組焊接參數(shù)均能代表最優(yōu)的焊接組合，僅由于試驗(yàn)中的誤差造成了數(shù)據(jù)差異，為方便研究，本文認(rèn)為最優(yōu)的組合是 A3B2C2D1.

為了預(yù)測(cè)最佳工藝組合條件下會(huì)有什么樣的焊接質(zhì)量，就要求出其工程平均.因子的效應(yīng)即試驗(yàn)因子在相應(yīng)水平下數(shù)據(jù)平均值與總平均的偏離.試驗(yàn)條件下的工程平均是總平均和主要因子在該條件下出現(xiàn)的效應(yīng)之和.結(jié)合上述的分析結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為各次試驗(yàn)均能比較理想地反映相應(yīng)組號(hào)的試驗(yàn)情況.為便于分析，可采用第1次試驗(yàn)的16組數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算條件A3B2C2D1下的工程平均.定義ai=KA-y為因素 A 在第i水平效應(yīng)；y為第一次試驗(yàn)時(shí)綜合評(píng)分的工程平均值57.43.類似地可定義bi、Ci、di.根據(jù)表3可得a3=7.57、b2=7.78、C2=11.07、d1=4.57，從而可得最優(yōu)工程平均值為57.43+7.57+7.78+11.07+4.57=86.61.

對(duì)試驗(yàn)評(píng)分的最優(yōu)工程平均值進(jìn)行波動(dòng)范圍8a的估計(jì)(區(qū)間估計(jì))，采用式(2)：

(2)

通過(guò)(2)式，當(dāng)取α=0.05時(shí)，δ0.05=12.15.

因此，采用組合A3B2C2D1綜合評(píng)分99.9%的置信區(qū)間為(74.46～98.76)，對(duì)該方案的實(shí)際評(píng)分也是落在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，說(shuō)明該方案是合理的.

2.2 焊接接頭的組織分析

焊接接頭各區(qū)受焊接熱循環(huán)的作用不同，再加上焊接材質(zhì)不同，使得焊接結(jié)構(gòu)不同部位的組織與性能不同.此外，焊接結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中面臨交變載荷、交變溫度等復(fù)雜環(huán)境，焊接接頭各區(qū)域的使用壽命與應(yīng)力腐蝕傾向也不盡相同[7-8].

圖1為采用最優(yōu)工藝焊接的外管體焊接接頭的金相組織，采用5%的苦味酸溶液作為腐蝕劑，圖1(a)為接頭的焊縫組織，圖1(b)為接頭的熔合區(qū)組織.由照片可知，接頭的這兩部分組織皆正常，通過(guò)X射線檢測(cè)，也未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、疏松等缺陷，組織晶粒細(xì)小均勻，晶粒間結(jié)合緊密.在圖1(a)中，可以看到組織存在一定的方向性，可以確定是由于焊絲填充之后，在電弧的吹動(dòng)作用下，部分金屬液存在規(guī)律性流動(dòng).在圖1(b)中，由于合理的工藝參數(shù)，理想的熱輸入避免了晶粒的粗大，管體母材與填充金屬實(shí)現(xiàn)了良好的結(jié)合.

圖1 外管體焊接接頭的金相組織

圖2是在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)條件下，焊接得到的接頭在不同放大倍數(shù)的斷口掃描圖像.在這個(gè)斷面上分布著均勻的圓坑狀韌窩，其外觀呈現(xiàn)圓錐狀，從錐心到邊緣，可以清晰地看到中心纖維區(qū)、放射區(qū)和邊緣剪切唇區(qū)，可以肯定這種特征是解理斷裂與韌窩斷裂兩種機(jī)制控制下的失效結(jié)果.這種解理和韌窩組合的混合斷面屬于典型的韌-脆混合斷裂，說(shuō)明所獲得的焊接接頭在保證一定強(qiáng)度的同時(shí)，又有較好的韌性，能夠滿足所期望的最終性能.經(jīng)外觀檢查及X射線探傷檢驗(yàn)，表明焊縫成形優(yōu)良，無(wú)內(nèi)部缺陷，焊接接頭滿足使用要求.

圖2 焊縫拉伸斷口形貌

3 結(jié)語(yǔ)

兩段規(guī)格為Φ426×Φ380×1 750 mm，材料為SA06鋁的短擠壓管能夠通過(guò)鴿極氫弧焊接的方法，獲得規(guī)格為中 Φ426 mm×Φ380 mm×3 500 mm 長(zhǎng)擠壓管，其拉強(qiáng)度σb、 伸長(zhǎng)應(yīng)力σ0.2、 后伸長(zhǎng)率δ5焊縫外觀等各方面性能均可滿足生產(chǎn)需要.

通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析，可以確定優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)是：焊接電流 280A；焊槍角度 75o；工件轉(zhuǎn)速 16.5 mm/min ；送絲速度 7mm/s，并且這4個(gè)因素均會(huì)顯著地影響焊接接頭的性能.

研究結(jié)果表明，在該工藝條件下，所獲得的焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定，相關(guān)力學(xué)指標(biāo)完全能達(dá)到性能要求，且焊縫美觀.該方法可適用于各類壁厚的鋁及鋁合金管件的焊接，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益.