优化超硬铝合金水管焊接工艺.pdf

优化超硬铝合金水管焊接工艺 铝合金具有比重小、比强度高、易加工成形及抗腐蚀性等特点，在各类高速船舶、铁路 车辆和工程机械中广泛应用。但因其与氧亲和力大、导热性比碳钢高3～4 倍，导致铝合金 焊接性较差，易出现（氢）气孔、结晶裂纹及液化裂纹等焊接缺陷。 本文针对6 系、7 系硬铝、超硬铝合金开展焊接工艺试验，通过分析焊接过程中缺陷产 生原因，选择相匹配的焊材合金系，优化焊接工艺，形成可支撑铝合金水管焊接生产的工艺 规范。 1. 焊接试验 本文主要针对6 系（6063）铝合金水管之间的管管对接、6 系（6063）铝合金水管与7 系（7075）铝合金法兰盘之间的管板角接开展试验。 6063 铝合金具有良好的抗腐蚀性及加工成形性，既可用于挤出水管型材，又适用于锻 造加工；7075 铝合金力学性能优越，合金元素含量高、热裂敏感性强，焊接过程中易形成 结晶裂纹、液化裂纹及气孔，二者主要化学成分如表1 所示。 2. 缺陷分析 （1）焊接气孔 一方面来源于焊丝、铝合金母材在加工过程粘附于表面的油脂等含氢 的污染物，或其表面氧化膜中吸附的潮气和水分；另一方面主要为惰性保护气体的气体流量 1 不当，焊缝中氢主要来自空气中的水分。保护气体流量过小，气流挺度差，排除周围空气能 力弱，保护效果不佳；反之，流量过大，气流易变成紊流，易使空气卷入，从而降低保护效 果。 焊缝气孔的预防主要从焊接操作规范方面控制。焊前使用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭焊 缝表面油污，然后再使用不锈钢丝刷清理焊缝表面氧化皮，并选用适中气体流量。 （2）热裂纹 母材确定后，焊接接头热裂纹的出现主要取决于焊丝的选配。铝合金焊 接热裂纹有两种特征：一种为出现于焊缝中心或弧坑内的结晶裂纹，另一种为出现于母材熔 合线或多层焊时前层焊缝热影响区内的液化裂纹。 结晶裂纹属于铝合金焊接过程中典型缺陷。铝合金焊接熔池凝固时为二元或多元共晶合 金，由于熔池加热和冷却速度快，固相和液相之间的扩散来不及进行，熔合合金无法建立平 衡状态，先结晶的为高熔点组元，后结晶的低熔点组元被排挤在焊缝中心，在焊接应力作用 下发生开裂，形成焊缝结晶裂纹。 液化裂纹主要取决于母材与焊材合金系的匹配。当焊缝金属的熔点低于母材的熔点时， 焊缝金属能顺沿熔合线两侧晶间的液相通道流到母材近缝区，愈合可能产生的液化裂纹，母 材熔合线附近不易产生液化裂纹。反之，当焊缝金属的熔点高于母材的熔点时，母材熔合线 附近最后凝固，在焊接收缩应力作用下，易在熔合线附近出现液化裂纹。 根据上述分析，本文重点从焊接操作规范和焊材合金系选型两个方面开展试验。 3. 试验过程及结果 （1）焊材合金系的选择 由于本文研究的铝合金水管对密封性能要求高，而对于力学 性能要求低（内部承压≥6MPa 即可），为此本文选择抗焊接裂纹性能优越的Al-5%Si 合金系 焊丝作为本次试验用焊接材料。Al-5%Si 焊丝的液态金属流动性好，特别是凝固时收缩率小， 因而有优良的抗焊接裂纹性能，但焊缝强度较低，适用于锻铝、硬铝及超硬铝合金的焊接， 焊丝中加入少量钛，可以起到变质作用，细化焊缝晶粒。 选用焊丝牌号为ER4043，φ 3.0mm，焊丝成分如表2 所示。 （2）试验接头形式及焊接参数 焊接接头分为 6063-6063 管管对接、6063-7075 管板 角接两种，接头形式如图1、图2 所示，试验过程焊接参数如表3 所示。 2 图1 管-管对接接头形式 图2 管板角接接头形式 （3）焊接工艺 焊前准备：①采用角磨机机械打磨待焊件焊缝两侧25mm 区域至露出金 属光泽，打磨后用乙醇擦拭打磨区域，确保打磨区域附件无铝屑、砂砾等异物，以免焊接过 程中产生未熔合缺陷；同时蒸发表面水汽，避免焊缝附近出现气孔缺陷。②定位焊时，采用 外力约束构件，避免焊点收缩引起点焊变形。③利用焊枪预热焊道，不填焊丝，预热至焊道 处母材表层“微熔”状态，不熄灭电弧直接填充焊丝焊接；当室温低于5℃时，