5083 鋁合金TIG 焊接工藝研究

朱達新,唐菊萍

（江蘇省江陰中等專業(yè)學校機電系，江蘇 江陰 214400）

鋁及鋁合金具有優(yōu)異的物理特性和力學性能，其具有強度高、密度低、熱導率高、電導率高及耐蝕能力強等特點，目前已廣泛應用于工業(yè)等領域的焊接結構產(chǎn)品方面。鋁合金應用于船舶制造行業(yè)，與鋼制船舶結構相比，其有明顯的優(yōu)越性：密度低，可有效地減輕船舶重量，減小發(fā)動機單機容量和油耗，可用作上層建筑的結構材料，還可以降低船體重心增加穩(wěn)定性；彈性模量小，能充分吸收沖擊應力，增加安全性；無磁性，減小對羅盤的干擾，還可以避免軍用艦艇受到磁性水雷的攻擊；耐蝕能力強，能抵抗海水和海洋大氣對船體的腐蝕，延長使用年限并減少油漆和防腐等維護費用。

對船用鋼材焊接檢驗，須符合“鋼制海洋漁船建造規(guī)范”和中國船級社“材料與焊接規(guī)范”的相關要求。以某輪船主船體為鋼制材料及甲板室為鋁制焊接結構項目為例，該輪要求采用的是T8mm 型號為5083 的鋁板，對其焊接工藝進行研究。

1 焊接性能分析

1.1 材料理化性能

鋁是銀白色的輕金屬，其特點是比重?。?.7 g ?cm?3，約為鋼的三分之一）、熔點低（658 ℃）、比熱容大、熱導率高（約為鋼的4 倍），因此焊接鋁合金時比鋼要消耗更多的熱量。5083 型鋁合金化學成分和力學性能列于表1 和表2［1-2］。

表1 5083 鋁合金化學成分Tab1 e1 Chemical composition of 5083 aluminum alloy

表2 5083 鋁合金力學性能Table 2 Mechanical properties of 5083 aluminum alloy

1.2 氧化膜問題

由于鋁及其合金的化學活性強，鋁和氧的親和力很大，在空氣中就能與氧氣發(fā)生化學反應而生成一層致密而難熔的氧化膜Al2O3，其厚度0.1—0.2 μm、熔點高達2050 ℃。焊接時由于氧化膜覆蓋在液態(tài)鋁的上面，其既阻礙填充金屬與母材之間的結合，又妨礙熔融填充金屬浸潤。此外，氧化膜的比重（3.95—4.18 g?cm?3）約為鋁的1.4 倍，易形成夾渣。為了保證焊接質量，焊前必須清除焊件表面的氧化膜，并對熔化金屬和處于高溫下的金屬進行有效的保護，防止在焊接過程中再氧化［3］。

1.3 氣孔問題

鋁及鋁合金焊接所產(chǎn)生的氣孔主要是氫氣孔，高溫時鋁可溶解大量的氫，在凝固過程中氫的溶解度從6.9 mL?kg?1降到0.36 mL?kg?1，二者相差約20倍，原先溶于液態(tài)鋁中的氫幾乎全部析出而形成氣泡。但由于鋁及其合金的比重小，氣泡在熔池中浮升的速度慢，加上鋁的導熱性強、冷凝快，不利于氣泡浮出，因此焊接鋁或鋁合金時焊縫產(chǎn)生氣孔的傾向很大。

1.4 焊接變形和裂紋

鋁的線膨脹系數(shù)比鋼約大一倍，而凝固時結晶收縮率又比鋼大兩倍，因此焊接鋁及鋁合金時會產(chǎn)生較大的內應力和焊接變形。其次，鋁合金高溫塑性低（在640 ℃工業(yè)純鋁的延伸率δ僅為0.6%），因此在較大的內應力下易產(chǎn)生熱裂紋［4］。當純鋁及大部分非熱處理強化鋁合金在融化時，一般是不容易產(chǎn)生焊接裂紋的，但是當焊件的剛度較大時或合金雜質控制與工藝條件不當時，往往也會出現(xiàn)裂紋。

1.5 合金元素的蒸發(fā)和燒損

5083 鋁合金中含有鎂、鋅、錳等沸點很低的元素，在電弧高溫作用下他們極易蒸發(fā)和燒損，從而減少了焊縫金屬合金元素的含量，降低了焊接接頭的機械性能［5］。

1.6 其他問題

鋁及鋁合金自固態(tài)變成液態(tài)時無明顯的顏色變化，焊接時易造成燒穿和焊縫金屬塌陷，打磨清根時用肉眼也很難判斷缺陷是否清除干凈。因此，焊接區(qū)域保護不好易造成焊接區(qū)域的腐蝕。

2 焊接工藝試驗

2.1 焊接方法選擇

鋁及鋁合金常用的焊接方法有鎢極非熔化極氣保焊（簡稱TIG 焊）和熔化極氬弧焊（簡稱MIG 焊），這兩種方法均采用惰性氣體進行保護，均具有陰極清理作用。TIG 焊接質量好且容易操作，適用于全位置焊接，但效率低。MIG 焊屬于半自動焊，生產(chǎn)效率較高，但MIG 焊縫氣孔傾向要比TIG 大些。在MIG 焊接時，由于弧柱的溫度高，焊絲以細小熔滴的形式落入熔池，因其比表面積較大而易吸氫；在TIG 焊接時，主要是熔池表面與氣體氫反應，因其比表面積較小且溫度低，自然吸收氫就少些［6］。由于MIG 的熔池深度一般大于TIG 的深度，這也不利于氣泡的浮出。因此，根據(jù)產(chǎn)品結構和試驗條件，選擇TIG 焊焊接工藝方法，焊接電源選用某公司YC-500WX4 型多功能氬弧焊機。

2.2 焊接材料的選擇

焊絲選擇的合理與否決定著焊接接頭的力學性能、耐腐蝕性能及抗裂紋性等，因此選擇焊絲不僅要考慮焊縫的成分要求，還要考慮接頭的力學性能、耐腐蝕性能、結構的剛性、顏色及抗裂紋性等問題，通常焊接5083 鋁合金選用ER5356 和ER5183 兩種焊絲。采用ER5356 焊絲焊接，獲得的焊縫具有良好的塑性，并且經(jīng)陽極化處理后，其顏色與基體一致。選擇ER5183 焊絲焊接，獲得的焊縫具有良好的強度和抗腐蝕性能，這一點對于長期受海水腐蝕的船體結構來說尤為重要［7］。

鋁合金焊接時，采用直徑粗的焊絲比直徑細的好，因為粗焊絲熔滴比表面積降低，產(chǎn)生氣孔的傾向小，并且粗直徑焊絲強度高、挺度好，在高溫熔池下這一優(yōu)點更明顯。經(jīng)過多次對比試驗，最終選定直徑4.0 mm 的ER5183 焊絲作為焊接5083 鋁合金的匹配焊絲，焊縫的強度達船級規(guī)范要求。直徑4.0 mm 的5183 鋁焊絲化學成分列于表3。

表3 直徑4.0 mm 的5183 鋁焊絲化學成分Table 3 Chemical composition of 5183 aluminum wire with a diameter of 4.0 mm

2.3 保護氣體

鋁合金焊接的保護氣體必須采用高純度氬氣且純度大于99.95%，按照GB/T10624 要求對其純度進行定期測，同時還要保證氣體傳輸管道的清潔［8］。本試驗的保護氣體為瓶裝氬氣，其純度達到99.99%。

2.4 焊前準備

鋁合金板的尺寸為8 mm×250 mm×300 mm，其坡口形式見表4。鋁合金材料可采用機械或等離子方法進行切割，而坡口一般可采用刨或磨等機加工方法。通常清潔部位應在4 h 內施焊，否則應對該部分采取有效的保護或重新進行清潔。鋁合金焊接場地應有防潮、防塵、防寒和防風設施，施焊時的風速應小于0.5 m?s?1，空氣濕度控制在70%以下。

表4 坡口形式Table 4 Welding grooves forms and types /mm

2.5 工藝要求

2.5.1 焊前處理

焊前需對5083 鋁合金母材表面的污物、塵土、金屬微粒、油污、水汽及氧化皮等進行清除，先用肥皂水清洗以清除表面的油漬，再用清水沖洗，晾干。焊前可用細鋼絲刷對近縫區(qū)全面刷一遍，并用刮刀刮削坡口端面和焊縫兩側20 mm 范圍的母材，將坡口下端（根部）刮去一個倒角，成為倒V形小坡口（鏟根，防止根部氧化膜引起的氣孔），最后在坡口兩側20 mm 范圍內，用電動刮刀、不銹鋼絲刷去除表面氧化膜。禁止用砂輪，因為砂輪的微粒嵌入鋁中很難清除，會形成焊縫中的不良夾雜物。

由于5083 鋁合金焊絲亦有較厚的氧化膜，焊前先用沙皮打磨，然后用丙酮清洗，清洗后的焊絲必須保持干燥。

2.5.2 預熱

5083 鋁合金最容易出現(xiàn)的焊接缺陷就是氫氣孔，尤其在潮濕季節(jié)或濕度大的地區(qū)進行焊接時，焊縫中的擴散氫含量更應加以認真分析和仔細控制。因此，增加焊前預熱工藝措施，預熱溫度為90 ℃、道間溫度為60 ℃，預熱位置距離焊道50 mm。同時，需對焊接材料進行干燥處理以降低水分。使用的焊接材料如保護氣體、焊絲、焊條等要嚴格限制含水量，使用前需對它們進行干燥處理。焊絲領取時保持密封，焊前應烘干，在烘干溫度為120 ℃下保溫2 h 后使用，未用完的焊絲重新放回烘干箱。

2.5.3 裝配定位焊

拼裝時不留間隙，在試板反面定位，定位焊縫長度30 mm、間距100 mm。為防止焊后產(chǎn)生錯邊，反面再安裝2 塊馬板（圖1）。正面焊接結束后，用電動銑刀對背面焊縫進行清根后再進行焊接，反面清根時一定要清理干凈，同時注意坡口的寬深比不能太小，否則極易產(chǎn)生未熔合。

圖1 鋁合金試板裝配圖Figure 1 Aluminium alloy test plate assembly drawing

采用TIG 焊時，如發(fā)現(xiàn)鎢極氧化或形狀不良，應及時更換鎢極或進行修磨。焊接時若鎢極觸及熔池或焊絲則應立即停止焊接，對夾鎢焊縫進行徹底清除，沾污的焊絲和鎢極也應清潔［9］。

2.6 焊接操作技術要求

2.6.1 焊接方向及焊前檢查

焊接鋁及鋁合金采用鎢極手工氬弧焊，焊接的方向通常采用左焊。焊前需檢查焊機清洗狀況及焊機、氬氣皮管和冷卻水系統(tǒng)是否正常，然后預放氬氣15 s 左右，以驅除管路中的空氣，并在試板上調整焊接規(guī)范。

2.6.2 焊槍與焊件間的相對位置及引弧要求

焊接時焊絲、焊槍與焊件之間相對的位置如圖2 所示。焊接過程中要求焊槍運行平穩(wěn)，焊絲均勻，保持電弧穩(wěn)定燃燒。送絲時不能攪亂氣體對熔池的保護，焊絲端部不要離開氣體保護。由于接頭處很容易產(chǎn)生氣孔，所以焊接過程中應避免中途停頓，盡量減少不必要的焊接焊頭。

圖2 氬弧焊焊槍、焊絲與焊件之間的相對位置Figure 2 The relative position of TIG welding torch，welding wire and weldment

引弧一般采用高頻或脈沖兩種方法。引弧時先將焊槍中的鎢極端部與焊件之間保持一定距離，然后接通引弧器，在高頻電流或高壓脈沖電流作用下使氬氣電離而引燃電弧。

2.6.3 焊槍運行及送絲方式

焊槍采用等速送絲，盡量地連續(xù)送絲，焊接電流要盡可能地加大，送絲時要向熔池持續(xù)不斷地送給，并且盡可能多送焊絲，這是因熔敷速度快，需得到足夠的填充金屬來避免氣孔產(chǎn)生。同時，為了減小焊接熱輸入及防止焊接熱影響區(qū)軟化，要求焊接速度要快，不能停留（因為槍頭一旦停在某處不動，熔池溫度就會急劇上升），焊絲端部要一直在氬氣的保護中。

為防止在收弧處產(chǎn)生嚴重的縮孔及弧坑裂紋等缺陷，一般采用引出板將弧坑引出焊件。對于中斷處或不能安裝引出板的焊件，可以采用填加焊絲來填滿弧坑，或者采用電流衰減方法。

2.6.4 焊接規(guī)范選擇

在TIG 焊接時，焊接工藝參數(shù)的選用應盡量采用小線能量，以減少熔池的存在時間，從而減少氣氛中的氫的溶入，并且又要能充分保證根部熔合，以利根部氧化膜上的氣泡浮出。圖3 為焊接工藝參數(shù)對氣孔傾向的影響（TIG）。從圖3 數(shù)據(jù)可以看出，采用大的焊接電流同時配合較高的焊接速度是比較有利的。

圖3 焊接工藝參數(shù)對氣孔傾向的影響（TIG）Figure 3 The influence of welding process parameters on stomatal tendency（TIG）

3 焊縫無損探傷及力學性能

在TIG 焊接規(guī)范的條件下（表5），對鋁合金試板進行焊接，待焊縫成形后對其外觀檢查發(fā)現(xiàn)，外觀成形良好，無裂紋、咬邊、氣孔、焊瘤等缺陷。

表5 5083 鋁合金TIG 焊焊接規(guī)范（平對接、角接）Table 5 Specification for TIG welding of 5083 aluminum alloy

3.1 無損檢測

焊縫質量按CB/T3747 船用鋁合金焊接接頭質量要求進行檢驗，X 射線檢測按CB∕T3929 鋁合金船體對接接頭X 射線照相及質量分級進行檢驗。對于船體上層建筑的一般鋁合金焊縫，焊縫探傷驗收只要求Ⅲ級，并且是1%抽查率。檢測結果表明，最終焊縫質量PT 檢測達到Ⅱ級合格指標，RT 檢測達到Ⅲ合格指標。

3.2 力學性能

按照CCS 標準［10］中的規(guī)定進行彎曲性能檢查及力學性能試驗。拉伸性能檢測結果表明，焊接接頭強度與原始母材的強度基本相當。橫向彎曲試驗時橫向正反彎12 組，試樣厚度8 mm、彎軸直徑D=60 mm、彎角180 °。試驗結果顯示，彎曲到規(guī)定的角度后焊縫沒有出現(xiàn)開口缺陷。表明，焊縫拉伸性能、力學性能均滿足CCS 標準要求。

根據(jù)CCS 規(guī)范要求，鋁合金對接縫焊接工藝不能覆蓋角焊縫，因此需同時進行角焊縫焊接工藝。角焊縫破斷試驗結果顯示，焊縫沒有氣孔、夾渣及未熔化等缺陷。

4 結論

5083 鋁合金焊接屬于特種材料的焊接，手工鎢極氬弧焊（TIG）焊接鋁合金屬于高難度、高附加值的特種作業(yè)。通過大量試板的焊接及相關試驗，逐步尋找到能有效消除鋁合金焊縫中氣孔的焊接工藝的要點和操作技巧。對于5083 鋁合金的焊接，焊接接頭形式、焊材選擇、焊接工藝制定、焊接高溫區(qū)控制、惰性氣體保護和焊接順序等工藝措施，都需要認真對待和正確處理。只要將所有控制程序都做好，焊縫質量才能滿足規(guī)范要求。