5083鋁合金罐雙人雙面TIG對焊工藝研究

馮鵬，茍海成，張亞鵬

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5083鋁合金罐雙人雙面TIG對焊工藝研究

馮鵬，茍海成，張亞鵬

（陜汽淮南專用汽車有限公司，安徽 淮南 232008）

鋁合金材質(zhì)具有自重輕、免噴涂和耐腐蝕性強等性能優(yōu)勢，已成為汽車制造業(yè)輕量化的首選材料。文章主要針對公司新產(chǎn)品鋁合金罐車，分析和驗證了罐體環(huán)縫雙人雙面TIG對焊打底工藝方法，總結(jié)固化工藝，為公司小批量試生產(chǎn)及批量化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，確保了焊縫符合國標(biāo)質(zhì)量要求，提升了產(chǎn)品的競爭力。

鋁合金罐；環(huán)縫焊接方法；焊接工藝

引言

危險品罐式半掛車輕量化設(shè)計的一個重要手段就是采用Al、Mg等輕質(zhì)合金材料來制造，如今重卡變速箱、油箱、儲氣筒等關(guān)鍵零部件已逐漸使用鋁合金材質(zhì)。罐式半掛車主要有碳鋼、不銹鋼和鋁合金三種材質(zhì)，若使用鋁合金材質(zhì)替代，則單車罐體部分可降自重1.6噸左右，提高了用戶裝運量，能最大化讓利于用戶。在專用車行業(yè)中，國內(nèi)主流罐式車生產(chǎn)廠家已開始逐步研發(fā)和推廣鋁合金材質(zhì)罐車，以提升自身產(chǎn)品競爭力，目前鋁合金罐車的市場份額呈現(xiàn)逐年遞增態(tài)勢，筆者牽頭負(fù)責(zé)了本公司鋁合金罐式車產(chǎn)品工藝設(shè)計和試制全過程，現(xiàn)已掌握了鋁合金罐式車的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝。

1 鋁合金罐體焊接工藝流程

1.1 產(chǎn)品簡介

以公司50m3鋁合金半掛車為例，產(chǎn)品拉運介質(zhì)為汽柴油，整車主要由封頭、前筒、鵝頸、防波板、后筒、下車架、管道系統(tǒng)、行走機構(gòu)等模塊組成，整車罐體長度12400mm，罐體截面為2492-2112mm，如圖1。其中，筒體板厚6mm，封頭板厚7mm。整車筒體、封頭副車架等附件主要采用5083鎂鋁合金。其中前筒和后筒主要通過平板對接自動焊焊接成型，經(jīng)由卷板卷制而成。封頭與防波板通過“脹型-旋切”工藝制成。

筒體的成型過程，則在專用組對工裝平臺上，將已加工完工的“封頭”、“前筒”、“后筒”、“鵝頸”各總成，沿環(huán)縫方向，依靠內(nèi)部撐型工裝的輔助，用氬弧焊機完成筒體鉚焊組對，同時完成內(nèi)部防波板鉚焊。筒體成型后，完成對四條環(huán)縫的焊接，且焊接質(zhì)量要求要滿足GB18564要求[1]。

圖1 鋁合金罐式車示意圖

1.2 鋁合金材料焊接特點

1.2.1易產(chǎn)生氣孔缺陷

鋁和氧的親和力很強，在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密而結(jié)實的Al2O3薄膜，薄膜熔點高且密度較大，會阻礙金屬之間的良好結(jié)合，易造成夾渣和氣孔缺陷。同時，鋁合金液體熔池很容易吸收氣體，高溫下融入大量氣體，在焊后冷卻凝固過程中來不及析出，而聚集在焊縫中形成氣孔[2]。而雙槍TIG對焊時，在正反兩面均有高純氬氣對熔池進(jìn)行有效保護(hù)，減少空氣對熔池的侵入，同時正反兩面的電弧對熔池的攪拌作用加大，也更利于入侵氣體的析出，并且一般狀況下可以免預(yù)熱。

1.2.2導(dǎo)熱率和比熱大

鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容都比碳鋼材質(zhì)大一倍多，為了保證焊接接頭質(zhì)量，則必須采用能量集中、功率大的焊接設(shè)備，以使其有較大的熱源，有時需采用預(yù)熱等工藝措施，針對鋁合金罐體環(huán)縫而言，采用雙槍TIG對焊完全可以滿足這樣的要求。

1.2.3線膨脹系數(shù)大

鋁合金線膨脹系數(shù)為鋼的2倍，凝固后體積收縮率6.6%，易產(chǎn)生焊接變形，或者內(nèi)應(yīng)力過大，因此除了制定合理的工藝參數(shù)和焊接順序外，采用適宜的焊接工裝也非常重要。雙槍TIG對焊時，封頭與筒體已經(jīng)預(yù)先鉚焊，并保證了一定的錯邊量與對接間隙公差要求，因此焊接變形可以得到有效控制。

1.3 環(huán)縫焊接工藝要求

因鋁合金材質(zhì)焊接后無需涂裝，因此為了保證表面焊縫質(zhì)量的美觀，罐體四條環(huán)焊縫的蓋面焊接均用自動焊焊機完成，我公司配備了行業(yè)先進(jìn)的十字伸縮臂式異型罐體環(huán)縫TIG自動焊機，電源采用法國SAF-FRO-NERTAMATIC -450TIG電源。根據(jù)國標(biāo)要求，環(huán)縫焊接接頭系數(shù)0.85，焊縫射線檢測（RT）透射質(zhì)量在不低于AB級的情況下，合格級別應(yīng)不低于JB/T4730.2規(guī)定的III級為合格。因此，設(shè)計環(huán)縫對接接頭為I型坡口，環(huán)縫采用“手工TIG打底+自動TIG蓋面”焊接工藝，如圖2，來確保焊縫的外觀質(zhì)量和RT檢測要求。

為了確保焊接質(zhì)量，前端組對工序質(zhì)量控制要求尤為重要，因此通過工藝分析，為了確保手工TIG質(zhì)要求量，對筒體環(huán)縫組對工序的組對間隙要求為2.5±0.5（mm），組對錯邊量要求為≤1mm。

圖2 環(huán)縫打底加蓋面焊縫剖面圖

2 環(huán)縫打底雙槍TIG對焊工藝

根據(jù)鋁合金材料焊接特性，及罐體環(huán)縫位置的特殊性，并要滿足GB18564要求，經(jīng)工藝前期使用單槍TIG打底工藝的工藝驗證，為了保證焊縫質(zhì)量，同時免于背部清根處理，決定使用雙槍TIG對焊工藝方法。作業(yè)人員兩名，分別處在罐內(nèi)和罐外，均采用AC-DC交直流氬弧焊機，罐外人員填絲焊接，罐內(nèi)人員僅熔焊不填絲，保證罐外焊接區(qū)域氣體保護(hù)良好，更好的保證打底的質(zhì)量。下面對具體過程說明如下：

2.1 工件準(zhǔn)備及前處理

將罐體吊放至異型滾輪架設(shè)備上，調(diào)整旋轉(zhuǎn)罐體。使用氣動不銹鋼鋼絲刷對罐體內(nèi)、外焊縫及焊縫兩側(cè)4-5mm內(nèi)的鋁屑、飛濺、毛刺、灰塵和油污清理干凈，使用丙酮或者異丙醇對焊縫周圍擦拭干凈，使得焊縫處周邊露出金屬光澤。

因組對過程TIG鉚焊時的鉚焊點絕大多數(shù)存在缺陷，因此焊前需要用氣動角磨機對點焊部分進(jìn)行清根，為防止焊點撕開，因此需要采用“清理一段、焊一段”的方式焊接，所有環(huán)縫組對工序的鉚焊點焊縫，需全部切開，如圖3所示。清根完成后要及時用壓縮空氣將焊道內(nèi)鋁屑吹干凈，方可進(jìn)行雙槍打底焊接。

圖3 環(huán)縫組對鉚焊

2.2 堆焊試驗

正式施焊前，在過渡板上進(jìn)行堆焊試驗，調(diào)整好工藝參數(shù)，并確認(rèn)無氣孔后再正式開始施焊[3]。

2.3 引弧

作業(yè)人員就緒，檢查設(shè)備功能正常后，罐內(nèi)外人員溝通好做好準(zhǔn)備，由罐外人員先輕輕敲擊罐體表面發(fā)出信號，然后兩人同時起弧，起弧后兩人開始以相同的焊接速度和方法開始施焊過程。引弧方式采用高頻開關(guān)引弧。

2.4 雙面對焊

引弧后，內(nèi)外人員開始焊接，正面焊接時焊槍與工件表面呈80°-85°，填充焊絲與水平面夾角為5°-15°，反面焊槍與工件表面呈80°-90°，如圖4所示。不加焊絲，電弧對準(zhǔn)外側(cè)焊槍位置，滯后0-5mm，不要超前，焊槍以一定的姿態(tài)運行。焊接過程為“清理一段，焊一段”，并調(diào)整滾輪架陸續(xù)完成整個環(huán)縫的焊接。

圖4 雙槍對焊示意圖

2.5 焊接工藝參數(shù)

筆者經(jīng)過DOE試驗設(shè)計方法，完成了鋁合金罐車環(huán)縫打底焊接工藝參數(shù)，見表1。

表1 雙面TIG焊接工藝參數(shù)

2.6 焊接效果

按照工藝要求，焊工經(jīng)過試驗后，并進(jìn)行了大量的實際練習(xí)，焊接效果如圖5，通過RT檢測合格后，在產(chǎn)品上進(jìn)行了正式施焊，對產(chǎn)品按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行RT檢測，檢測結(jié)果如圖6，通過檢驗質(zhì)量合格。

圖5 雙人雙面TIG對焊效果

圖6 RT檢測結(jié)果

3 關(guān)鍵點工藝分析

3.1 封頭與筒體組對工藝控制

在筒體成型階段，直筒與封頭組對時，要保證對接間隙(2.5±0.5)mm，接頭對接錯邊量≤1mm，前端尺寸公差的控制尤為重要，不僅影響后續(xù)環(huán)縫打底的效率，更影響環(huán)縫雙槍打底質(zhì)量，控制不好容易引起氣孔、未熔合等焊接缺陷。

3.2 前處理

清理表面氧化膜，鋁合金材料對前處理要求非常高，而且應(yīng)與一般的碳鋼焊接前處理區(qū)分開來，碳鋼用過的工具，嚴(yán)禁使用于鋁合金，打磨清理不能使用砂輪機，砂輪雜質(zhì)容易進(jìn)入焊縫，導(dǎo)致熱裂紋，只能只用不銹鋼材質(zhì)鋼絲刷，然后用丙酮擦洗干凈。同時，Al2O3膜會在短時間內(nèi)重新生成和堆積，為了使氧化膜盡可能少的影響焊縫，清理完畢后應(yīng)立即施焊[4]。

3.3 焊機電源防電弧干擾

雙槍對焊時產(chǎn)生雙槍共熔池，兩臺焊機電源輸出交流方波不能保持同相位，輸出頻率和占空比不能完全保持一致，焊接電流會通過電弧產(chǎn)生短路現(xiàn)象，電弧之間相互干擾，影響焊縫質(zhì)量。因此，在雙槍焊接鋁合金環(huán)縫時，筆者選用了某廠家氬弧焊機配備的交流輸出協(xié)調(diào)器連接線，該連接線直接聯(lián)通兩臺電源,能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺焊接電源輸出的相位、頻率和占空比完全相同，經(jīng)過大量試驗證明，焊縫質(zhì)量保證能力明顯。

3.4 焊工配合默契度

開始施焊后，外側(cè)人員作為主焊側(cè)，進(jìn)行填絲焊接，內(nèi)側(cè)人員作為輔焊側(cè)，全程配合主焊人員的焊接，無需填絲，保證焊接速度與主焊人員同步。主焊人員送絲速度均衡，輔焊人員電弧擺動稍微落后于主焊槍，并跟隨主焊槍同步移動，間距始終保持為一個熔池長度，以起到保護(hù)作用，時刻注意熔池的穩(wěn)定，因為鋁合金熔池強度和塑性較低，正反兩面電弧推力完全可以阻擋熔池塌陷趨勢，并使焊縫背部成型良好[5]。同時，輔焊焊槍擺動速度由外側(cè)主焊人員決定。經(jīng)驗證，兩名焊工需要按照此方法進(jìn)行大量的焊接試驗，以提升兩人配合的默契度。

4 常見焊縫質(zhì)量問題及解決措施

4.1 夾鎢

經(jīng)工藝分析，夾鎢出現(xiàn)在焊接過程而非引弧引起，缺陷分散，且經(jīng)過對探傷底片分析發(fā)現(xiàn)，夾鎢缺陷出現(xiàn)在底部，即為罐體內(nèi)側(cè)。經(jīng)現(xiàn)場實際觀察，內(nèi)側(cè)作業(yè)人員在施焊時，隨著焊接的進(jìn)行，由于鋁合金材質(zhì)表面光滑，焊工易出現(xiàn)腳步打滑現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致焊接手把不穩(wěn)，鎢極觸碰熔池，產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象。因此，經(jīng)工藝分析，在焊工具備一定的焊接技能的基礎(chǔ)上，內(nèi)側(cè)底部的夾鎢缺陷，主要與作業(yè)環(huán)境引起的手把不穩(wěn)有直接原因。

4.2 氣孔

氬弧焊氣孔產(chǎn)生的原因很多也很復(fù)雜，如前處理不徹底、焊材質(zhì)量差、氬氣純度低、保護(hù)氣體流量、焊接速度等原因。針對氬弧焊雙槍對焊工藝（氣孔缺陷），進(jìn)行了詳細(xì)的因素分析，并制定DOE試驗驗證，發(fā)現(xiàn)引起氣孔的主要原因有兩點，前處理不徹底和氬氣純度低，因此，后續(xù)施焊時，加強了對前處理的檢驗，和氬氣純度的檢測，在每更換一瓶氣體時，進(jìn)行焊接試驗，以排除更換的氣體不純導(dǎo)致批量焊接氣孔缺陷。

5 結(jié)論

（1）環(huán)縫氬弧焊雙槍對焊打底，對前處理和焊縫組對要求很高，必須嚴(yán)格保證焊縫對接間隙和錯邊量，焊前必須進(jìn)行前處理；

（2）氬弧焊雙槍對焊對操作人員的配合默契度要求較高，兩人需要經(jīng)過大量焊接的驗證和練習(xí)。

（3）鋁合金材質(zhì)氬弧焊雙槍對焊時，焊接電源必須有防電弧干擾功能。

[1] GB 18564.1金屬常壓罐體技術(shù)要求[S].2006.

[2] 陳祝年.《焊接工程師手冊》-2版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[3] 李建國,雙面對稱氬弧焊對消除鋁合金焊接缺陷的作用.金山油化纖;2004,23（4）.

[4] 王元良,屈金山,晏傳鵬,胡久富.鋁合金焊接性能及焊接接頭性能[J].中國有色金屬學(xué)報,1997（1）.

[5] 牛連山,胡慶春.鋁及鋁合金的焊接方法.天然氣管道技術(shù)研討會, 2012(4).

The research of 5083 Aluminum alloy tank double-side TIG technology

Feng Peng, Gou HaiCheng, Zhang Yapeng

( Shaanxi automobile huainan special purpose vehicle co. LTD, Anhui Huainan 232008 )

Aluminum alloy material has advantages of light weight, no spraying and strong corrosion resistance.It has become the first choice material of lightweight in automobile industry.This article mainly aims at the company's new product aluminum alloy tank car. Analyzes and verifies the double-sided TIG process method of tank ring weld.Technical requirements were identified.It provide that foundation for the small batch production and batch production of the company.It ensures that the weld meets the quality requirements of national standards.Improved the competitiveness of products.

Aluminum alloy tank; ring weld welding methods; Welding technology

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1671-7988(2018)20-199-04

U467.3

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U463.7

馮鵬(1987-)，男，漢族，助理工程師，主要從事危險品運輸車技術(shù)研究及重卡裝配調(diào)試工藝優(yōu)化。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.074