船用鋁鎂合金MIG焊接工藝方法和參數(shù)對(duì)焊縫氣孔的影響淺析

王東濤， 張 偉

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

船用鋁鎂合金MIG焊接工藝方法和參數(shù)對(duì)焊縫氣孔的影響淺析

王東濤， 張 偉

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

在焊接工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了船用鋁鎂合金MIG焊接工藝方法和部分焊接參數(shù)對(duì)鋁合金焊縫中氣孔的影響，并提出了防止氣孔產(chǎn)生的措施，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。

鋁鎂合金 MIG焊 氣孔

1 前言

鋁合金常用的焊接方法是不熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Tungsten Inert Gas Welding，簡(jiǎn)稱(chēng)TIG焊)和熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Metal Inert Gas Arc Welding，簡(jiǎn)稱(chēng)MIG焊)，圖1為兩種焊接方法的示意圖。針對(duì)船用鋁合金焊接，MIG焊具有許多突出優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)鋁合金焊接95%以上采用MIG焊，但在焊接時(shí)也存在諸多難點(diǎn)，焊縫氣孔是鋁合金熔焊時(shí)最常見(jiàn)的缺陷之一。本文以船舶常用鋁合金材料5083鋁鎂合金的MIG焊為例，通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)方法，分析了船用鋁鎂合金MIG焊接工藝方法和參數(shù)對(duì)焊縫中氣孔的影響，并提出了相應(yīng)的預(yù)防和解決措施，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中取得了較好的效果。

2 焊接工藝試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)材料。本試驗(yàn)采用的基體材料為Al-Mg 系5083 鋁合金，試板厚度為6 mm。焊接填充材料為ER5183 焊絲，直徑為1.2 mm。試驗(yàn)采用的保護(hù)氣體為氬氣(Ar)，其中氬氣的純度為99.99 %。基體材料及焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

(2) 試驗(yàn)設(shè)備。本試驗(yàn)采用肯倍公司生產(chǎn)的Fast MIGTMPulse 350 焊接系統(tǒng)，F(xiàn)ast Mig Pulse 是一款全數(shù)字智能脈沖焊接系統(tǒng), 具備一元化和脈沖 MIG/MAG功能。Fast Mig Pulse焊接系統(tǒng)為用戶(hù)提供了靈活的焊接應(yīng)用程序，其中包括WORK PACK(常用焊接專(zhuān)家程序軟件包)和PROJECT PACK(客戶(hù)自選焊接專(zhuān)家程序軟件包)。施焊時(shí)，焊工可以選擇焊接專(zhuān)家程序，也可根據(jù)工藝管理要求設(shè)定最大送絲速度、最小送絲速度和最大電壓及最小電壓值的調(diào)整范圍以用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝管理。 圖2是設(shè)備的外觀(guān)照片。

圖1 氬弧焊示意圖

表1 基體材料及焊絲材料的化學(xué)成分 單位：%

(3) 試驗(yàn)內(nèi)容。焊接工藝試驗(yàn)選擇了焊前坡口表面清理(先用丙酮清洗坡口及兩側(cè)，再用不銹鋼鋼絲刷)和表面未清理兩種形式，70°和90°兩種Y型坡口角度，以及平位和橫位兩種焊接位置進(jìn)行MIG焊接。焊后對(duì)焊接試板進(jìn)行100 %的射線(xiàn)探傷檢驗(yàn)，焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖2 Fast MIGTMPulse 350 焊接系統(tǒng)

序號(hào)板厚(mm)焊接電流(A)焊接電壓(V)焊接速度(cm/min)焊前清理焊接位置坡口角度1#2#3#4#688～10518～2321～30未清理平對(duì)接90°清理平對(duì)接90°清理橫對(duì)接90°清理平對(duì)接70°

按照CB/T 3929-1999鋁合金船體對(duì)接接頭 X射線(xiàn)照相及質(zhì)量分級(jí)[1]進(jìn)行焊縫質(zhì)量評(píng)定，表3為各焊接試板X(qián)射線(xiàn)探傷檢驗(yàn)結(jié)果。

表3 鋁合金焊縫X射線(xiàn)結(jié)果

3 焊接氣孔的原因分析

3.1 鋁合金材料特點(diǎn)對(duì)焊縫氣孔的影響

氫是鋁合金熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因[2～4],氫之所以能使焊縫形成氣孔，與它在鋁合金中溶解度的變化特性有關(guān)[3]。氫在液態(tài)鋁中的溶解度為0.7 mL/100 g，而在660℃凝固溫度時(shí)，氫的溶解度突然降至0.04 mL/100 g，使原來(lái)溶于液態(tài)鋁中的氫大量析出，形成氣泡。同時(shí)，鋁合金的導(dǎo)熱性強(qiáng)、密度小、熔池冷凝快，氣泡在熔池中的上升速度較慢，因此，上升的氣泡往往來(lái)不及逸出而在焊縫中產(chǎn)生氣孔。

3.2 焊接工藝方法對(duì)焊縫氣孔的影響

不同的焊接方法對(duì)電弧氣氛中水分的敏感性不一樣，氫的吸附速度和吸附數(shù)量也有明顯差別，因而產(chǎn)生氣孔的傾向性不同[3]。在同樣的條件下，由于MIG焊比TIG焊更易吸附氫，而氫氣卻較難逸出，因此，焊縫氣孔傾向要比TIG焊時(shí)大。通過(guò)工藝試驗(yàn)和實(shí)踐證明, 在相同條件下，采用TIG焊接，焊縫氣孔一般會(huì)有明顯改善。

3.3 部分焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫氣孔的影響

(1) 焊前清理。由表3中1#試板與2#試板的射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果可以看出，焊前進(jìn)行清理的試板氣孔數(shù)量要明顯少于焊前未進(jìn)行清理的試板，并且在焊前未清理的試板中產(chǎn)生了氣孔等缺陷。這是由于鋁和氧的化學(xué)結(jié)合力很強(qiáng)，常溫下極易在其表面形成一層三氧化二鋁薄膜，如果不去除這層氧化膜，會(huì)阻礙基本金屬的熔合，形成夾渣、未熔合等缺陷，并且還會(huì)吸附水分，在焊縫中產(chǎn)生氣孔。

(2) 坡口角度。焊縫的坡口角度的大小會(huì)直接影響到氬氣的保護(hù)質(zhì)量以及焊縫中氫逸出的難易程度。對(duì)于鋁合金的焊接尤其如此，坡口角度過(guò)小時(shí)，一方面保護(hù)氣體量不足不能排除弧柱氣氛中的空氣，空氣中的水分將分解成氫進(jìn)入熔池中產(chǎn)生氫氣孔[5]；另一方面由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，可以較短時(shí)間內(nèi)凝固，當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，大量分布于細(xì)小的枝晶組織間的氣泡不能及時(shí)逸出，而留在焊縫中成為氣孔。結(jié)合表3可以看出，90°焊縫坡口在控制氣孔方面要優(yōu)于70°焊縫坡口。

當(dāng)然，坡口角度也不是越大越好，要綜合考慮焊縫金屬的填充量以及焊接變形等各方面的因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)來(lái)看，一般以90°左右為佳。

(3) 焊接位置。根據(jù)射線(xiàn)檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看，平焊位相對(duì)橫焊位產(chǎn)生的氣孔要少，這主要是由于焊槍的角度以及氬氣的密度要大于空氣所造成的。當(dāng)進(jìn)行平焊位置操作時(shí)，氬氣可以附著在焊縫的表面，使得外界的水分以及氫氣等無(wú)法靠近焊接熔池，從而起到很好的保護(hù)作用。但當(dāng)進(jìn)行橫焊位置操作時(shí)，由于焊槍的角度為向下傾斜，以及氬氣的密度比較大，使得氬氣可以很好地保護(hù)焊縫的下半部分，而上部由于缺少氬氣的有效保護(hù)，就極易吸收空氣中的氫，從而產(chǎn)生氣孔，射線(xiàn)檢測(cè)的結(jié)果也很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

4 焊接氣孔的工藝防止措施

影響船用鋁鎂合金MIG焊接氣孔生成的工藝因素主要有：焊接電流、電壓和速度；保護(hù)氣體的種類(lèi)、純度和流量；焊縫的形狀和位置等[6]。經(jīng)過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，我們認(rèn)為還應(yīng)在以下幾個(gè)方面采取措施加以控制。

首先是清理板材上的氧化皮、油污和灰塵等雜質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋁合金的清理方式一般采用機(jī)械清理，可用不銹鋼絲刷、風(fēng)動(dòng)角磨機(jī)等將焊縫區(qū)域的氧化膜和毛刺去除，使焊縫區(qū)露出金屬光澤，為了避免焊縫處因油脂污染而影響焊接質(zhì)量，必須在焊縫處用丙酮溶液進(jìn)行除油處理。對(duì)接焊雙面焊，單面堆滿(mǎn)后，反面根部不允許碳刨，只可使用清根機(jī)、角磨機(jī)等機(jī)械加工工具進(jìn)行清根處理。處理好的焊縫區(qū)域要注意保護(hù)，防止再度污染，并盡早進(jìn)行焊接，否則會(huì)有新的氧化膜生成。如果清潔后超過(guò)4小時(shí)未焊接，則應(yīng)重新清理。

其次，焊接結(jié)構(gòu)中如需開(kāi)坡口，應(yīng)盡量將坡口開(kāi)大至80°左右，以使得氬氣可以很好地保護(hù)焊接熔池，但也不要過(guò)大，坡口過(guò)大不但會(huì)增加焊縫金屬的用量，還會(huì)增加熱輸入，使焊件產(chǎn)生變形等。

另外，在焊接過(guò)程中，應(yīng)通過(guò)工裝把焊縫擺成平焊位進(jìn)行焊接，盡量避免橫焊操作。如果橫焊操作無(wú)法避免，應(yīng)適當(dāng)采取一些輔助的方法，如加擋氣板，儲(chǔ)氣罩等，以減少氣孔的產(chǎn)生。施焊時(shí)，應(yīng)采取左向焊法，右向焊法非常容易導(dǎo)致焊縫發(fā)黑，產(chǎn)生氣孔。

此外，鋁合金MIG焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的原因很復(fù)雜，空氣流動(dòng)的影響、環(huán)境空氣濕度、溫度的影響等都有可能會(huì)導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，在焊接過(guò)程中也要嚴(yán)格控制。

5 生產(chǎn)應(yīng)用

試驗(yàn)完成之后，我們將以上措施應(yīng)用于模擬分段的建造過(guò)程中。

5.1 焊前準(zhǔn)備

(1) 厚度大于4 mm的鋁合金板材開(kāi)坡口，坡口角度為80°左右。

(2) 鋁合金板接頭附近30 mm內(nèi)用丙酮清洗表面油污等雜質(zhì)，用不銹鋼鋼絲刷去除表面的氧化膜，最后用干抹布擦干凈。

(3) 焊絲使用前仔細(xì)檢查：檢查焊絲是否受潮、表面是否有油脂或臟物、盤(pán)裝焊絲是否均勻纏繞。

(4) 焊接前適當(dāng)空放氬氣，去除焊槍氣管內(nèi)的空氣和水分。

(5) 由于正值二月份，氣溫較低，焊前用火焰將接頭及其附近進(jìn)行預(yù)熱至50℃左右, 將水分烘干。

5.2 裝配定位

(1) 對(duì)接焊縫接頭的定位焊間距約為50 mm，定位焊長(zhǎng)度約為10 mm～15 mm。定位焊不可以焊在坡口內(nèi)側(cè)。

(2) 角接縫接頭的定位焊間距要根據(jù)工件的焊接要求來(lái)決定，如果工件是間斷的，定位焊要定在間斷焊縫的始端或尾端，長(zhǎng)度約20 mm～30 mm，如果工件是連續(xù)的，間距約為200 mm，長(zhǎng)度約為20 mm～30 mm。

5.3 焊接

(1) 焊接設(shè)備采用肯倍公司生產(chǎn)的Fast MIGTMPulse 350 焊接系統(tǒng)。

(2) 為控制焊接變形，盡量采用自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接。

(3) 對(duì)于需要雙面焊的鋁合金板，在正面焊完后，要對(duì)反面進(jìn)行清根后再進(jìn)行焊接。焊縫背面清根要用專(zhuān)用鋁合金清根機(jī)，并輔以低速角磨機(jī)將根部清理均勻，對(duì)于清根機(jī)清不到的地方要用低速角磨機(jī)完成清根工作。以6 mm板為例，反面需清根3 mm左右。

(4) 焊后缺陷的修補(bǔ)必須采取與正式焊接時(shí)相同的工藝，返修范圍一般應(yīng)分別向缺陷兩頭擴(kuò)展50 mm。

(5) 施焊場(chǎng)地應(yīng)盡量安排在室內(nèi)，采取防潮、防塵、防風(fēng)措施，風(fēng)速大于2 m/s時(shí)必須采用擋風(fēng)措施,以確保氬氣保護(hù)效果和焊接質(zhì)量。

通過(guò)嚴(yán)格按照上述要求對(duì)焊件進(jìn)行清理和焊接，模擬分段的焊縫成形美觀(guān)，焊縫氣孔得到了有效控制。

6 結(jié)論

采用ER5183焊絲對(duì)5083鋁合金進(jìn)行了MIG焊接，研究了焊接工藝和部分參數(shù)對(duì)焊縫內(nèi)氣孔產(chǎn)生的影響，主要結(jié)論如下。

(1) 鋁合金表面的氧化膜極易吸收空氣中的水分，因而對(duì)于鋁合金MIG焊氣孔防止來(lái)講，焊前清理是非常重要的。

(2) 焊縫坡口角度的大小會(huì)直接影響到氬氣的保護(hù)質(zhì)量以及焊縫中氫逸出的難易程度，從而影響到焊縫中氣孔產(chǎn)生的傾向。

(3) 由于平焊位相對(duì)產(chǎn)生的氣孔要少，應(yīng)盡量通過(guò)工裝把焊縫擺成平焊位進(jìn)行焊接。

[1] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.CB/T 3929-1999鋁合金船體對(duì)接接頭 X射線(xiàn)照相及質(zhì)量分級(jí)[S].1999.

[2] Army Belvoir Research U S.Development and Engineering Center.Efficient Welding Fabrication Of Extruded Alluminum Mat Panels[R].1991.

[3] 李敬勇，章明明，趙勇等. 鋁合金 MIG焊焊縫中氣孔的控制[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 5: 78-81.

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[7] 周振豐. 金屬熔焊原理及工藝[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

The MIG Welding Technology of Marine Aluminium Magnesium Alloy and the Effect of Parameter on Weld Porosity

WANG Dong-tao， ZHANG Wei

(Navy Representative Office Stationed at Shanghai Hudong Zhonghua (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

On the basis of welding procedure test, the welding technology of marine aluminium magnesium alloy and the effect of parameter on weld porosity are analyzed. The prevention measure of porosity formation is proposed. The research achieves a good result in practical application.

Aluminium magnesium alloy MIG welding Porosity

王東濤(1967-)，男，高級(jí)工程師。

U671

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