6061鋁合金T形接頭PD位置焊縫根部鏈狀氣孔產(chǎn)生原因及預防措施

GXF360 2017-12-24

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6061鋁合金T形接頭PD位置焊縫根部鏈狀氣孔產(chǎn)生原因及預防措施

明暉劉丙臣李堯

【摘要】針對6061鋁合金PD位置T形接頭焊縫根部鏈狀氣孔問題進行研究，發(fā)現(xiàn)提高預熱溫度可以有效減少焊縫根部氣孔的數(shù)量，當預熱溫度提升至150℃時，焊縫根部氣孔基本消除，且不會對接頭組織性能造成不利影響。

關鍵詞：焊接；鏈狀氣孔；預熱溫度；鋁合金；焊縫根部

鋁合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕、擠壓成形性能好等優(yōu)點，符合輕量化設計的要求，是主要的軌道車輛結構材料。隨著我國高速鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展，鋁合金材料得到了越來越廣泛的應用。

本文針對12mm厚的6061鋁合金T形接頭PD位置焊接培訓過程中根部鏈狀氣孔的相關問題進行研究，通過調(diào)整焊接工藝來解決此缺陷，為高速列車車體制造工藝的改善提供參考。

1. 存在的問題及分析

（1）存在的問題對12mm厚6061鋁合金PD位置T形接頭進行斷裂試驗，斷口形貌如圖1所示，可見焊縫存在大量鏈狀氣孔，并且氣孔集中分布于根部熔合線附近。

（2）問題分析氣孔是鋁合金焊接過程中容易產(chǎn)生的缺陷之一，產(chǎn)生的氣孔類型主要為氫氣孔。氫氣孔產(chǎn)生的原因大致可以分為兩種：一是因為鋁的化學性質(zhì)比較活潑，與氧親和力大，在常溫下都會氧化，表面生成氧化鋁（Al2O3）薄膜即焊接材料及母材所吸附的水分、空氣中的水分、相對濕度等；二是氫在鋁合金液態(tài)和固態(tài)的溶解度不同，氫在液態(tài)鋁中的溶解度較大為0.7mL/100g，凝固時溶解度為0.04mL/100g，所以原來溶于液態(tài)鋁中的氫會在凝固時大量析出，形成氣泡上浮。由于鋁導熱快，凝固快，所以會有一些浮不出來的氣泡就形成氣孔夾在焊縫中，即屬于析出型氣孔，導致相關問題更加突出。

圖1 斷口形貌

12mm厚T形接頭PD位置存在大量鏈狀氣孔主要原因：T形接頭的散熱方向多于對接接頭，其散熱速度更快，對氣孔逸出不利；試板的厚度加大到一定程度會進一步增加氣孔逸出的難度；同時，PD位置焊接時熔池倒懸，根部位置的氣孔難以排出，其他位置的氣孔也容易上浮至此。基于以上三點原因，導致氣孔會在接頭根部熔合線處大量堆積。

解決焊接氣孔問題的關鍵在于消除氣體來源，控制氣孔的產(chǎn)生和促進氣體的逸出。在保護良好的情況下氫氣孔的產(chǎn)生與母材、焊絲表面吸附的水分息息相關，適當提高預熱溫度有利于減少水分的吸附；此外，良好的預熱可以降低焊后冷卻速度，有利于焊接氣體的逸出。但是鋁合金的預熱也有一定的限制，過高的預熱溫度和過長的持續(xù)時間會引發(fā)接頭軟化嚴重、合金元素燒損、晶粒粗大等問題，一般來講對于12mm厚的6061鋁合金最大預熱溫度不應超過200℃，持續(xù)時間不能超過30min。

2. 試驗材料和設備

試件材質(zhì)：6061鋁合金；試件規(guī)格：12mm×150mm× 200mm；焊絲牌號：ER5356，φ1.2mm；接頭形式：T形接頭；焊縫空間位置：PD；焊接方法：熔化極惰性氣體保護焊131（MIG）；保護氣體種類及純度：Ar99.999%；焊接設備：福尼斯TPS 4000焊機；試板及焊絲化學成分如表1所示。

3. 焊接工藝試驗

（1）焊前清理首先使用丙酮溶液清洗試板表面，去除表面油污；然后使用不銹鋼碗刷對試件兩側20mm范圍內(nèi)的表面氧化膜進行清理及點固（見圖2）。

（2）裝配及定位焊清理、點固結束后，采用三種不同的溫度對試板進行焊接：試件3為常溫狀態(tài)，試件2的預熱溫度為70℃，試件1的預熱溫度為150℃。

預熱方式：氧乙炔火焰加熱，以實現(xiàn)對鋁合金試板的快速加熱，并用電子測溫筆實時監(jiān)控試板的溫度。在實際操作中，耗時不足10min便將試板接頭附近的溫度提高至150℃，可以滿足鋁合金快速預熱的需求（見圖3）。

（3）試件的焊接焊接參數(shù)如表2所示，坡口情況與焊接順序如圖4所示。

焊接試件：采用3M變光面罩以便于操作（見圖5）。

4. 試件檢測

（1）外觀檢測焊后冷卻至常溫，按照ISO 17637對3組鋁合金試板進行外觀檢測，采用放大鏡對接頭表面進行細致地觀測。接頭外觀形貌如圖6所示，可知三組鋁合金試板外觀差別較小，焊縫魚鱗紋均勻清晰，表面沒有裂紋、氣孔、未熔合等缺陷。

（2）宏觀金相檢測外觀檢測完成后，按照ISO17639對3組鋁合金試板進行宏觀金相檢測。接頭的宏觀金相如圖7所示，可知雖然外觀形貌良好，但未進行預熱的焊接接頭氣孔數(shù)量較多，尤其在打底焊縫的根部，氣孔分布更為密集；預熱溫度70℃的焊接接頭氣孔數(shù)量有所下降，但打底焊縫根部的氣孔仍然較多；預熱溫度150℃的焊接接頭氣孔數(shù)量最少，并且打底焊縫根部的氣孔基本消除。這也充分說明提高預熱溫度可以有效減少接頭氣孔的產(chǎn)生，有利于解決根部氣孔超標的問題。

表1 6061鋁合金及ER5356焊絲化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

材料 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al 6061 0.75 0.35 0.30 0.50 0.60 0.30 0.15 0.10 余量ER5356 0.1 0.40 0.10 0.15 4.80 0.10 0.10 0.13 余量

圖2 試件清理及點固

圖3 預熱方式及預熱溫度

表2 焊接參數(shù)

焊道焊接電流/A 電弧電壓/V 保護氣體（%）焊接速度/mm?s-1 電流極性F1 220～240 22～24 99.999 9.0～10.0 DC/＋F2 200～220 22～24 99.999 8.5～10.0 DC/＋F3 200～220 22～24 99.999 8.5～10.0 DC/＋

圖4 接頭形式及焊接順序

注：t1=t2=12mm。

（3）微觀金相檢測 6061鋁合金對焊接熱輸入敏感，過高的預熱溫度可能會造成組織粗大、接頭軟化等問題，為了驗證預熱溫度的合理性，選取預熱溫度150℃的鋁合金試板，從接頭制取微觀金相試樣進行觀測。接頭各個部位的顯微組織如圖8所示，接頭組織良好，母材、熱影響區(qū)、熔合線和焊縫沒有因預熱而產(chǎn)生過燒、熱裂紋、晶粒粗大等問題，這也說明此預熱溫度與持續(xù)時間較合適。

（4）斷口檢測根據(jù)ISO 9017對三組鋁合金試板進行斷口檢測，接頭斷口形貌如圖9所示，可知斷口檢測的試驗結果與宏觀金相檢測結果相符合：隨著預熱溫度的提升，焊縫氣孔的數(shù)量降低，在預熱溫度150℃時，打底焊縫根部的氣孔基本消除。