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不同焊接位置铝合金接头的气孔敏感性分析

2020-09-10张宗来兰玲陆雷俊桂赤斌

电焊机 2020年3期
关键词:气孔铝合金

张宗来 兰玲 陆雷俊 桂赤斌

摘要:铝合金的焊接特点之一是容易产生气孔,大量气孔的存在不仅会减少焊缝的有效截面强度,还可能因为气孔形成失效源,严重时破坏焊接结构,影响焊缝的使用性能。铝合金焊缝产生气孔的因素很多,试验设计:固定焊接工艺参数,对不同焊接位置的试板进行焊接试验,结合X射线无损检测结果分析5083铝合金MIG焊接头气孔敏感性与焊接位置的关系,总结焊缝中气孔的分布规律。在相同焊接条件下横焊位置焊接时对气孔的敏感性最高,这是因为横焊位置处的电弧不正对熔池,熔池受热不均匀,且电弧对熔池的搅拌作用较弱造成的。通过优化焊接工艺参数和控制焊接环境能有效改善焊接气孔的敏感性,提高焊接质量可靠性。

关键词:铝合金;MIG焊;气孔

中图分类号:TG457.1 文献标志码:A文章编号:1001-2303(2020)03-0133-04

DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.25

0 前言

由于铝合金材料密度小、强度高、热导率高、耐腐蚀性能强、耐低温。具有良好的物理性能和力学性能,适用于某些船舶的建造[1-2]。

铝合金在焊接过程中,易产生未熔合、夹渣(条)、气孔等缺陷,最为常见的缺陷是焊缝气孔[3]。焊接线能量、弧长、送丝速度、运条角度等焊接参数都会对气孔的产生有不同程度的影响。此外,氢是铝及铝合金焊接时气孔产生的主要因素,氢来源于大气、保护气、焊丝以及母材表面所吸附的水分、焊道表面污染等,其中焊丝及母材表面氧化膜吸附的水分对焊缝气孔的产生有重要影响[4]。

铝合金焊缝中存在的大量气孔所形成的空洞组织会造成铝合金焊缝有效截面降低,严重时,使截面强度显著下降导致失效。另外,气孔的分布形式为链状成排存在或处于焊缝表面时,会形成裂纹源导致设计可靠性下降。所以气孔控制一直是铝合金焊接的重要关注点。

5083铝合金广泛应用于船舶建造,其综合性能良好[5]。在铝合金船体维修焊接过程中,由于船体不能改变位置和翻转,会形成现场平、立、横、仰等焊接位置。本文主要针对不同的对接焊接位置,设计开展不同大气湿度条件下的焊接工艺试验方案,结合X射线检测结果从焊接质量复现和控制的角度进行铝合金不同焊接位置气孔敏感性试验研究,并有针对性地提出优化改善气孔缺陷的工艺措施,达到控制现场焊接质量的目标。

1 试验方案及试验材料

1.1 试验方案

1.1.1 焊接试板准备

试板尺寸300 mm×150 mm,厚度6 mm。接頭形式为对接双面连续焊,坡口角度70°~75°、根部间隙为0~0.5 mm、钝边为0~1 mm、氩气纯度99.999%。由于铝及铝合金从固态转变为液态时无明显的颜色变化,加上其高温强度低、塑性差[6],焊接过程中随着焊道温度逐渐上升,接头强度急剧下降软化,容易出现烧穿或塌陷等缺陷。为避免此种情况发生,在焊缝背面加不锈钢衬垫,用铝合金马板和铝楔铮牢,使衬垫和接头紧密贴合,如图1所示。待正面焊接完成后,去除铝合金马板、铝楔和不锈钢衬垫,使用铝合金锯片或螺旋锉等工具进行背面清根,清根深度3~4 mm,宽度7~9 mm。

1.1.2 焊接方式

焊接方式选用熔化极气体保护焊(MIG)。

1.1.3 焊接环境、位置及检测方式

在温度25 ℃,不同相对湿度(65%、70%、75%、80%、85%)环境下进行焊接,每个湿度为一组,每组都进行平、立、横3个位置焊接,焊接完成后对接头进行X射线无损检测(X射线机型号为:XXG-1605A),通过对比检测结果来考察不同接头位置的焊缝气孔的敏感性。

1.1.4 焊接参数

焊接电流105~125 A、电弧电压18~21 V、焊接速度25~30 cm/min,气体流量25 L/min。

1.2 试验材料

试验用母材为5083铝合金板,其化学成分如表1所示。焊丝为ER5183 φ1.2 mm,其化学成分如表2所示。

2 试验结果及分析

2.1 X射线无损检测结果

5组(15张)焊接接头X射线拍片结果如图2~图6所示。结果显示,随着相对湿度的增大,焊缝中气孔数量逐渐增多。其中,平焊、立焊位置:在相对湿度为65%时,焊缝中没有气孔;相对湿度为70%、75%时,焊缝中分布着少量气孔;相对湿度为80%、85%时,焊缝中的气孔明显增多,表现为分散气孔和密集气孔。横焊位置:在湿度为65%、70%时,焊缝中分布着少量气孔;相对湿度为75%、80%、85%时气孔逐渐增多,特别是相对湿度为80%、85%时,横焊焊缝中的气孔增量最为明显,主要表现为密集气孔。

2.2 焊接气孔产生原因分析

铝合金焊接接头气孔是由焊接熔池中的氢所导致的。氢来源于几个方面:(1)从焊接材料及母材自身情况分析。由于铝合金极易氧化,在表面生成一层氧化膜,对于5×××系铝镁合金的母材和焊丝,这层氧化膜包括Al3O2、MgO等。其中,MgO越多,形成的氧化膜越不致密,吸水性越强,焊接时氧化膜中的水分容易侵入焊缝熔池中形成气孔,这是焊缝中气孔产生的主要原因之一。(2)环境及保护气体中的水分也是氢的重要来源。焊缝中气孔的数量与空气中的含水量(绝对值)及保护气体中的含水量(质量分数)有直接关系。相同的焊接参数、焊接位置条件下,在环境及保护气体中的含水量低时所获得的焊缝气孔量少于含水量高时。因此,严格控制焊接环境中的水分特别是焊丝和母材表面的水分是控制气孔产生的重要手段。

控制氢的来源措施包括:清洁焊丝表面及焊缝左右各30~50 mm范围内的油污、水分;提高保护气体纯度,降低含水量;保持气路干燥,避免空气、粉尘等侵入气路造成气路污染;尽可能避免在湿度大的环境中焊接,必要时可使用氧-乙炔火焰或喷灯对焊件局部预热以有效去除水分[7]。

除了通过控制氢的来源降低气孔敏感性以外,加强焊缝中氢的析出也十分重要。在三种位置对接试验中,在相同条件下,横焊位置表现出较高的气孔敏感性。由此可见,横焊位置不利于氢的析出。

氢在熔池中形成的气泡是从下至上运动的。在平焊、立焊位置,熔池正对电弧热流(见图7),受热集中较均匀,且易受电弧搅拌作用,便于气泡溢出。

而在横焊位置,电弧不正对熔池,熔池受热不均匀,且电弧对熔池的搅拌作用较弱,故气泡不易溢出,容易形成气孔。因此,解决横焊对接的气孔缺陷问题是提升铝合金产品焊接质量的关键。

2.3 焊接气孔产生优化控制

为进一步降低横焊位置对气孔的敏感性,采取以下优化工艺措施:(1)环境湿度控制在75%及以下;(2)采用纯度99.999%、含水量(质量分数)小于0.08%的氩气进行焊接;(3)采用倾斜45°斜圆圈或斜月牙等运条方式增强电弧对焊缝上口边缘的加热和搅拌作用,降低焊接速度以延长熔池液态存续时间,有利于熔池中气孔的溢出;(4)增加焊枪引弧前的送气时间,设置为3~5 s,熄弧滞后送气时间设置为5 s左右,以确保焊接区域保护良好。

工艺优化后进行焊接试验,在相对湿度75%以上进行平焊、立焊、横焊位置的对接焊时,焊接质量有所提高,但还是不稳定,横焊位置仍然有較多的气孔缺陷;在相对湿度为75%及以下进行平、立、横位置的对接焊时,焊接质量稳定,X射线照片如图8~图10所示。将优化工艺运用到生产中,效果良好,说明相关优化工艺措施和方法有效可行。

3 结论

(1)采用5183焊丝对铝合金5083板在不同焊接位置进行了MIG焊对接试验。结果表明,横焊接头表现出较高的气孔敏感性。分析认为,横焊位置的电弧不正对熔池,熔池受热不均匀,且电弧对熔池的搅拌作用较弱。

(2)适当优化焊接工艺参数和控制焊接环境能够改善焊接气孔的敏感性,有效提高焊接质量可靠性。

(3)重要部位的对接缝焊接:平焊、立焊位置焊接时相对湿度控制在75%以下为宜;横焊对接缝焊接时,相对湿度控制在70%以下为宜。

参考文献:

[1] 顾纪清. 铝合金船体及上层建筑施工[M]. 北京:国防工业出版社,1983:2-10.

[2] 何建伟,王祝堂. 船舶舰艇用铝及铝合金(一)[J]. 轻合金加工技术,2015,43(8):1-11.

[3] 李荣雪. 金属材料焊接工艺[M]. 北京:机械出版社,2015:150.

[4] 李亚江. 焊接冶金学——材料焊接性[M]. 北京:机械出版社,2017:164-165.

[5] 何建伟,王祝堂. 船舶舰艇用铝及铝合金(二)[J]. 轻合金加工技术,2015,43(9):1-12.

[6] 乌日根. 金属材料焊接工艺[M]. 北京:机械工业出版社,2019:137-138.

[7] 陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 北京:机械工业出版社,2014:1090-1091.

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