鋁合金PMIG焊接時(shí),解決焊縫根部撕裂現(xiàn)象的研究

王巧云　白清博　劉闖　賈明陽

摘 要：我公司采用PMIG焊機(jī)焊接5052、6061鋁合金時(shí)，在沒有進(jìn)行無損探傷的情況下，外觀檢查沒有焊接缺陷，但在產(chǎn)品的試運(yùn)行過程中，頻繁受力部位經(jīng)常出現(xiàn)焊縫根部整個(gè)撕裂的現(xiàn)象，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，從焊機(jī)和材料焊接特性分析產(chǎn)生焊縫根部撕裂的原因，優(yōu)化工藝，歸納總結(jié)避免產(chǎn)生焊縫根部撕裂的控制措施。

關(guān)鍵詞：鋁合金PMIG焊接 根部撕裂 未熔合收弧方法

Research on the Phenomenon of Tearing at the Root of the Weld during PMIG Welding of Aluminum Alloy

Wang Qiaoyun Bai Qingbo Liu Chuang Jia Mingyang

Abstract：When the company uses PMIG welding machine to weld 5052， 6061 aluminum alloy， there is no welding defect in appearance inspection without non-destructive testing. However， during the trial operation of the product， the root of the weld often appears on the frequently stressed parts. The phenomenon of tearing directly affects the quality of the product. From the welding characteristics of the welder and the material， the reasons for the root tear of the weld are analyzed， the process is optimized， and the control measures to avoid the root tear of the weld are summarized.

Key words：aluminum alloy， PMIG welding， root tearing， unfused arc closing method

1 前言

鋁合金5052、6061是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，鋁合金密度小，自重輕，強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性。其材料特性使其在結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用日益增多，對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的需求，使鋁合金的焊接研究逐漸深入。特別是結(jié)合公司鋁合金焊接的實(shí)際情況，鋁合金焊接后，外觀檢查沒有焊接缺陷，但是在使用一段時(shí)間后，經(jīng)常出現(xiàn)焊縫根部整個(gè)撕裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，解決焊縫根部撕裂現(xiàn)象迫在眉睫。主要從材料的焊接特性和焊機(jī)的性能特點(diǎn)方面進(jìn)行分析，提出有效控制措施。

2 材料的焊接特性

鋁合金5052、6061所具有的物理及化學(xué)性能，在焊接時(shí)會(huì)存在一系列困難。了解材料的焊接特點(diǎn)及可能出現(xiàn)的問題，采用合適的焊接方法及相應(yīng)的工藝措施來保證獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量。鋁合金5052、6061焊接時(shí)具有以下焊接特點(diǎn)：

2.1 強(qiáng)的氧化能力

焊接過程中對鋁合金的材料進(jìn)行科學(xué)分析時(shí)，需要了解其氧化能力較高的特性，且生成后得到的物質(zhì)較為穩(wěn)定，難以進(jìn)行有效處理。同時(shí)，受到氧化膜所占比重較大的影響，會(huì)對焊接質(zhì)量產(chǎn)生潛在威脅，加上水分對鋁材應(yīng)用效果的影響，從而影響了鋁合金形成過程中的焊縫質(zhì)量，從而破壞金屬的均勻性，降低接頭的力學(xué)性能。

2.2 高的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性

相比碳素鋼及類似的材質(zhì)，鋁合金應(yīng)用中的導(dǎo)熱性特點(diǎn)更為突出，使得焊接作業(yè)進(jìn)行中產(chǎn)生了較多的熱量，并在金屬熔池中會(huì)逐漸消耗掉。在此期間，因熱量損失的影響，會(huì)使鋁合金焊接質(zhì)量及應(yīng)用效果受到了一定的影響。針對這種情況，需要考慮功率大的能源的高效利用，促使鋁合金的焊接質(zhì)量更加可靠，優(yōu)化其使用功能，滿足鋁材料科學(xué)應(yīng)用要求，避免增加相應(yīng)的成本費(fèi)用。

2.3 容易形成裂紋傾向

鋁合金5052、6061焊接時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋，鋁及鋁合金的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時(shí)的體積收縮率大、焊件的變形較大，焊接熔池凝固時(shí)往往由于過大的收縮內(nèi)應(yīng)力而在焊縫金屬中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

3 PMIG焊機(jī)焊接鋁合金的性能

焊接鋁合金采用PMIG逆變式脈沖熔化極氣體保護(hù)焊，PMIG焊接鋁合金具有低的熱輸入量、生產(chǎn)率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的特點(diǎn)，逆變技術(shù)可以保證在焊接過程中電網(wǎng)電壓及電弧長度高速平穩(wěn)變換，電弧自調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。同時(shí)，在適宜的電流條件下，會(huì)以熔化極氣體保護(hù)的形式，為焊接質(zhì)量的有效保護(hù)提供專業(yè)支持，且電流產(chǎn)生中依賴于頻率、幅值變化等，能夠?qū)崿F(xiàn)對進(jìn)入到熔池中熔滴方面的科學(xué)控制。除此之外，在了解鋁合金自身特性的前提條件下，加強(qiáng)PMIG焊機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)對焊絲及母材的預(yù)熱處理，并在基值電流的作用下，也能達(dá)到電弧燃燒中穩(wěn)定性提高的目的。

平均電流值比臨界電流值低，熱輸入量小;焊接電流的調(diào)節(jié)范圍寬，調(diào)節(jié)平均焊接電流即調(diào)節(jié)送絲速度，既可用于薄板δ≥1.0mm焊接，又可用于厚板的焊接。 由于電源輸出特性為直流反接，陰極霧化能力強(qiáng)，有效地清除Al2O3薄膜。

4 PMIG焊接鋁合金時(shí)，產(chǎn)生焊縫根部撕裂的原因

結(jié)合鋁合金的材料焊接特性及PMIG焊機(jī)焊接性能和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析產(chǎn)生焊縫根部撕裂的原因有焊縫根部未熔合和收弧弧坑裂紋引起應(yīng)力集中兩種可能。

4.1 未熔合

未熔合是焊接時(shí)，焊道與母材之間或焊道與焊道之間未完全熔化結(jié)合在一起的缺陷，未熔合是一種虛焊，是一種面積型缺陷，明顯減少了承載截面積，應(yīng)力高度集中，是焊縫最危險(xiǎn)的缺陷之一。考慮采取以下控制措施：

a.清理坡口和根部表面油污及雜質(zhì);

b.焊接速度太快，焊縫未充分熔合;

c.增大焊接電壓，增大熔寬。

d.單側(cè)有熔深另外一側(cè)無熔深時(shí)，說明焊接操作技術(shù)不當(dāng)，調(diào)整一下焊槍角度和縮短一下焊絲干伸長度;

在焊接方法確定的條件下，結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、位置、表面狀態(tài)的差異，以及焊工操作的熟練程度都可以產(chǎn)生未熔合的缺陷。結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，會(huì)進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)本身的儲(chǔ)熱能力，使得原有焊接熱源的比功率下降，導(dǎo)致未熔合。

4.2 收弧方法

弧坑是指在焊接收尾處（焊縫終端）形成低于焊縫高度的凹陷坑，是一種較為常見的焊縫外部缺陷，主要出現(xiàn)在焊縫末端或焊縫接頭處，弧坑是金屬結(jié)晶雜質(zhì)聚集區(qū)和最大焊接內(nèi)力區(qū)，在接頭受力時(shí)成為薄弱環(huán)節(jié)，不但減弱焊縫強(qiáng)度，還會(huì)在冷卻過程產(chǎn)生裂紋。焊條在收弧處稍多停留一會(huì)，用焊絲填滿弧坑，能夠防止產(chǎn)生弧坑缺陷。或者在焊接收弧區(qū)形成凸起，目的是避免焊縫中產(chǎn)生由收弧所引起的焊接缺陷，并將收弧缺陷盡可能的滯留于焊縫表面的凸起中，磨平凸起;焊縫打磨后再次進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫起弧處要搭接在在前段焊縫至少25mm的長度處，搭接的目的就是把起弧引起的地缺陷滯留在搭接的焊縫金屬中，保證焊縫接頭處的焊接質(zhì)量，焊接完成后去除焊縫表面的25mm焊縫搭接余高。

減少弧坑裂紋的主要措施：

a.弧坑裂紋是因?yàn)閿嗷r(shí)熔池中心在沒有熱源的條件下凝固，在冷卻時(shí)產(chǎn)生了較大冷卻速度。因此在焊接時(shí)不要采用過高的焊接速度，在收弧時(shí)采用收弧板并逐漸斷弧，以降低冷卻速度。

b.由于收弧處雜質(zhì)和低溶組分聚集在該處，加之熔池?cái)嚢璨粡?qiáng)烈等綜合因素形成所謂的“脆斷面”，為減少這種影響，在焊接工藝上，應(yīng)使該處熔池變得寬而淺，采用適當(dāng)?shù)暮附悠驴诤秃附臃椒?，提高焊縫成型系數(shù)。

c.由于收弧處，焊縫金屬凝固過程中處于拉應(yīng)力狀態(tài)，而拉應(yīng)力又是產(chǎn)生此裂紋的外因，因此可采用預(yù)應(yīng)力方法，即在收弧處施加預(yù)壓應(yīng)力，或者選擇合理的焊接順序和焊接方向，以減少收弧處的拉應(yīng)力，防止裂紋的產(chǎn)生。

5 對未熔合及弧坑缺陷的處理

發(fā)現(xiàn)焊縫出現(xiàn)未熔合缺陷時(shí)，用鋼質(zhì)扁鏟或者電動(dòng)鏟鏟除未熔合處的焊縫金屬后補(bǔ)焊;出現(xiàn)弧坑缺陷時(shí)， 對焊縫進(jìn)行仔細(xì)的清理，在收弧處稍多停留一會(huì)，用焊絲填滿焊縫。

6 解決焊縫根部撕裂的控制措施

防止和消除焊縫根部撕裂的措施應(yīng)針對其產(chǎn)生的原因。除了在設(shè)計(jì)上考慮以外，可采取的相應(yīng)措施有：

6.1 增大焊接電壓、電流

鋁合金本身的導(dǎo)熱系數(shù)大（約為鋼的2-3 倍） ，散熱快。在保證焊縫熔透和熔合良好的條件下，應(yīng)在焊接工藝規(guī)程允許范圍內(nèi)盡量采用大電流、快速施焊，焊絲的橫向擺動(dòng)幅度不宜超過其直徑的三倍。無特殊要求時(shí)焊件焊前不進(jìn)行預(yù)熱，多層焊時(shí)層面溫度應(yīng)盡可能低，不宜高于100℃。

6.2 起弧、收弧要求

起弧點(diǎn)焊接溫度低，應(yīng)增大起弧電流，約為正常電流的1.5倍，加長焊接時(shí)間約為0.2-0.5s;正常焊接過程中，隨著時(shí)間的變化，母材溫度會(huì)升高，熔池會(huì)擴(kuò)大，應(yīng)加快焊接速度，控制槍頭擺動(dòng)幅度，以控制焊接質(zhì)量;收弧點(diǎn)焊接溫度高，易形成弧坑，應(yīng)減小收弧電流，增加收弧時(shí)長，以彌補(bǔ)弧坑缺陷，收弧點(diǎn)應(yīng)引至焊縫一側(cè)，不能留在焊縫中間，以防引起焊縫開裂。起弧、收弧點(diǎn)避開應(yīng)力集中區(qū)。焊縫起弧處要搭接在在前段焊縫至少25mm的長度處;收弧點(diǎn)弧坑填滿后，需要將焊接弧坑修整打磨至焊縫和周圍母材平滑過渡。

6.3 焊槍角度的選擇

作業(yè)人員在實(shí)施焊接操作的過程中，為了降低其缺陷問題發(fā)生的概率，需要選擇好焊槍角度。在此期間，應(yīng)將其角度控制在90°左右的范圍內(nèi)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行有效調(diào)整，使得焊槍在實(shí)踐應(yīng)用中能夠取得良好成效。

6.4 改變焊接位置

立焊時(shí)，要用焊絲拖著熔池向上走，左右呈弧度擺動(dòng)，控制焊縫寬度和熔池大小，對于頻繁受力部位可采用工裝使平焊位代替其它位置的焊接。

6.5 設(shè)置引弧板和熄弧板

縱焊縫兩端應(yīng)裝上鋁制的引弧板和熄弧板，縱環(huán)焊縫清除弧坑后接續(xù)焊時(shí)，也宜在引弧板上引燃電弧，待電弧燃燒穩(wěn)定后再進(jìn)行焊接 焊接過程中，如果熄弧后再引弧，則需要對接頭處進(jìn)行打磨處理后方能重新引弧，接頭處需打磨成斜坡平滑過渡。

按照工藝要求及采取上述方案做相關(guān)的試件后，通過無損探傷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫根部問題確實(shí)沒有了，說明采取以上方案能夠有效解決焊縫根部撕裂現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳志強(qiáng)、李芳.關(guān)于鋁合金PMIG焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀.輕金屬與高強(qiáng)材料焊接國際論壇.

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