朱晓星，杨学勤，林 涛，陈华斌

（1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240；2.上海航天精密机械研究所，上海201600）

大直径薄壁异种铝合金结构件脉冲TIG焊

朱晓星1，杨学勤2，林 涛1，陈华斌1

（1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240；2.上海航天精密机械研究所，上海201600）

以金属膜片贮箱的制造为研究对象，贮箱为典型的变厚度薄壁异种金属焊接结构件。采用交流脉冲TIG焊接方法对贮箱1050A和5A06异种铝合金结构开展工艺试验，确定贮箱焊接的最优工艺规程：焊接速度2.5～4.2mm/s、峰值电流140～160A、送丝速度8～14 mm/s、钨极中心偏向1050A母材侧1.5 mm。结果表明，焊接接头拉伸强度达到82 MPa，接近1050A母材强度，延伸率达到30％以上，满足接头性能要求。

大直径薄壁结构；异种铝合金；脉冲交流TIG焊接

0 前言

大型宇航结构件制造过程中，不仅需要对大量同种材料进行焊接，同时也需要对相当数量的异种材料进行焊接。采用异种材料焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质的不同要求，还能节约材料，降低结构整体成本，发挥不同材料的性能优势。铝合金是目前航天产品中应用最为广泛的材料，5A06铝合金具有良好的抗腐蚀性和焊接性；工业纯铝具有可塑性高、耐蚀、导电性和导热性好的特点，但强度低，不能通过热处理强化，可切削性不好，焊接性能差。某产品贮箱为5A06铝合金和1050A纯铝悬空焊接结构[1-2]。

铝合金化学性质比较活泼，表面易氧化生成氧化膜，热导率高，线膨胀系数大，焊接时容易形成裂纹、气孔等缺陷[3]。交流氩弧焊（Tungsten InertGas Welding，TIG）具有对母材表面氧化膜的阴极清理作用，有利于焊接表面易氧化的铝及其合金[4]。5A06铝合金和1050A纯铝在熔点、线膨胀系数、热导率及比热容等方面存在一定差异，可能出现焊缝金属熔合不良的问题；其次，焊接过程为最后的悬空密封焊接，而铝合金的表面张力小，高温强度低，可能出现焊缝塌陷甚至焊漏等问题[5]；焊接作为结构件制造环节的最后工序，要保证良好的表面质量。异种材料5A06和1050A的悬空焊存在较高的工艺难度，在此以金属膜片贮箱的研制为背景，研究了5A06和1050A异种铝合金材料的TIG工艺及焊接接头性能，并进行了工艺验证。

1 贮箱焊接工艺试验

该金属膜片贮箱外形为球形，由上、下半球、金属膜片和连接环四部分焊接而成，上半球、下半球和连接环采用5A06铝合金板材，壁厚3 mm，金属膜片采用1050A材料，壁厚1.6～2.1 mm，为变壁厚结构，待焊处壁厚1.6 mm，焊接部分为锁底结构，结构示意如图1所示。

图1 金属膜片贮箱结构示意Fig.1General view of the structure of the fuel tank

1.1 试验材料

试验材料为规格400 mm×100 mm×1.6 mm的5A06铝合金板材以及400 mm×100 mm×1.6 mm的 1050A退火态纯铝，焊接接头形式为对接、无间隙。

铝合金板材及焊丝化学成分（GB/T 3190-1996）和性能如表1和表2所示[6]。1050A纯铝的强度很低、延伸率较高；5A06铝合金由于增加了镁、锰、钛等元素，所以改善了耐蚀性，提高了合金强度，细化了晶粒，但降低了塑性。

表1 1050A和5A06化学成分[6]Tab.1Chemical composition of 1050A and 5A06％

表2 1050A和5A06力学性能[6]Tab.2Mechanical property of 1050A and 5A06

1.2 试验条件及方法

采用交流TIG焊接铝合金，电弧稳定且焊接过程无飞溅，对母材表面氧化膜有阴极清理作用。鉴于金属膜片贮箱直径700 mm，膜片厚度1.6 mm，属于大直径薄壁铝合金焊接结构件，并且受膜片空间结构形式限制，故采用悬空焊接。选择脉冲交流TIG焊为金属膜片贮箱焊接工艺，减小金属膜片焊接变形和焊接热影响区。试验系统如图2所示，主要包括HP-6型工业机器人、单轴旋转变位机和OTC500P交直流两用电源。

图2 金属膜片贮箱机器人脉冲TIG焊接系统Fig.2Robotic pulse TIG welding system of fuel tank

铝及铝合金异种材料焊接需选用化学成分与母材相近或抗拉强度较高的焊丝作为填充材料。铝

合金异种材料焊接需要通过焊接性试验或者焊接工艺评定最终确定焊丝牌号，通常尽可能选用标准焊丝。1050A工业纯铝和5A06铝合金的焊接性好，适用于各种熔焊方法。5A06的抗拉强度远大于1050A，5356焊丝化学成分与5A06铝合金相近，5356焊丝的镁含量约为5％，该焊丝中还加入了0.05％～0.2％的Ti，起到细化焊缝晶粒、降低生成焊接裂纹倾向、提高焊缝金属韧性及延性的作用，因此选用直径1.6 mm的5356铝合金作为焊丝，其化学成分如表3所示。

表3 5356焊丝化学成分Tab.3Chemical composition of 5356％

采用直径3.2 mm的铈钨电极，焊前钨极打磨成锥形，并通过大电流作用在尖端形成半球形状，使得焊接电弧更集中。保护气体采用纯度99.99％氩气，气体流量8～10 L/min。

脉冲交流TIG焊的主要工艺参数包括基值电流、脉冲电流、焊接速度和送丝速度等。当脉冲频率与焊接速度匹配合理时，可以获得由多个焊点相互搭接而成的连续焊缝，外观呈均匀的鱼鳞波纹，在频率较低时容易实现。氧化膜的存在会导致未焊透、未熔合、焊缝夹杂等缺陷，且由于氧化膜吸附大量水分可导致焊缝产生气孔，所以采用化学清洗除去试件表面的氧化膜、油脂和尘污是铝合金焊接前必须的准备工作。由表3可知，1050A纯铝的比热容、热导率、密度和熔点均高于5A06铝合金。经过试验比较，为解决焊缝成形和电弧偏吹问题，将电弧中心向1050A纯铝方向偏离焊缝中心1.5 mm，焊接工艺参数如表4所示。

表4 焊接工艺参数Tab.4Welding process parameters

2 试验结果分析

为分析异种材料焊接接头的力学性能，对焊接试样进行了拉伸试验，如表5和图3所示。焊接接头拉伸强度达到82 MPa以上，基本与1050A母材抗拉强度相当，延伸率达到30％以上，大于母材。1050A与5A06铝合金接头低倍宏观形貌如图4所示，接头内部无缺陷、界面清晰。焊缝区微观组织照片如图5所示，焊缝区域为细小、均匀的胞状枝晶，1050A纯铝熔合线分界明显，晶粒垂直于熔合线，呈柱状组织向焊缝中心生长。

表5 接头机械性能及X射线检验结果Fig.5Mechanical property and result of X-ray test of the joint

图3 试件接头机械性能Fig.3Mechanical properties of the joint

图4 焊接试样拉伸接头低倍组织Fig.4Macrostructure of the Welding sample

通过上述对平板异种材料对接工艺的研究，进一步验证金属膜片贮箱试验件施焊和工艺，金属膜片为悬空焊接，焊接接头形式为锁底对接接头。膜片试验件的焊接过程中，环缝存在接口，因此

在接口重叠处需对焊接电流进行衰减处理，由于工件厚度较薄，对参数较为敏感，参数匹配严格，因此焊接电流衰减的同时，还需对送丝速度进行衰减。

图5 焊接接头微观组织Fig.5Microstructure of the welding joint

具体工艺为：在收弧处100 mm范围内将峰值电流由最大值缓降至5 A，送丝速度由最大值缓降为0。最终金属膜片试验件焊接效果如图6所示，焊缝成形良好，光洁平直，且正面余高均匀一致，接头内部质量满足QJ 2698-95Ⅰ级焊缝要求。

图6 焊接完成后的试验件Fig.6Test article after welding

3 结论

（1）焊接薄壁5A06和1050A异种铝合金时，采用低频脉冲交流TIG焊，填充焊丝，电弧偏离焊缝中心，获得了优良的力学性能，焊缝区为细小的胞状枝晶。

（2）金属膜片试验件悬空焊接时，采用锁底对接形式，可以获得良好的焊缝成形和优质的试验件焊接质量。

[1]周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京：机械工业出版社，2006：182-183.

[2]王悦.脉冲频率对铝合金TIG焊接接头组织和力学性能的影响[J].电焊机，2015，45（9）：110-112.

[3]袁华廷，徐艳利，李瑞，等.2A14_5A06异种铝合金焊接工艺研究[J].航天制造技术，2015，2（1）：23-26.

[4]张文明，刘茂增，柏久阳.铝合金焊接新技术[J].电焊机，2013，43（9）：78-80.

[5]廖传清，宿国友，高艳芳，等.7075/5A06异种铝合金TIG焊接头的显微组织和力学性能[J].中国有色金属学报，2015，25（1）：43-48.

[6]李丽，苏霄.1050A铝合金模拟海洋大气环境腐蚀行为的中性盐雾试验[J].腐蚀与防护，2014，35（4）：367-370.

Pulse TIG welding of major diameter thin-walled dissimilar aluminum alloy structure

ZHU Xiaoxing1，YANG Xueqin2，LIN Tao1，CHEN Huabin1
（1.College of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute，Shanghai 201600，China）

This paper studies the development ofa metallic diaphragmtank which has a typical structure ofvariable thickness and different metal welding.AC pulsed TIG welding is used to carry on the processing experiments to weld the 1050A and 5A06.The appropriate parameter is as follows：welding speed is 2.5～4.2 mm/s，pulse frequency is 1 Hz，duty ratio is 50％，base current is 80～95 A，peak current is 140～160 A，argon flow rate is 4～6 L/min，feeding speed is 8～14 mm/s.The tip of the torch is 1.5 mm to the 1050A side. The results show that the tensile strength of the welding can be up to 82 MPa and the extensibility can be more than 30％.Mechanical properties of the welding meet requirements.

major diameter thin-wall structure；dissimilar aluminum alloys；pulse TIG welding

TG444+.72

A

1001－2303（2016）09－0016-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.04

2016-04-20；

2016-08-30

朱晓星（1986—），男，江苏无锡人，在读硕士，主要从事焊接激光加工工艺及自动化的研究。