第４期 机电技术 ｌ２１ 船用５０８３铝合金ＴＩＧ焊工艺研究 宫博 ｆ七环机械电子工程公司，北京１００１９２） 摘要：５０８３铝合金具有中等强度，良好的焊接性与耐蚀性。其焊接结构被广泛应用于航天航空、汽车和船舶等 领域。文中在介绍５０８３铝合金理化性能和焊接性的基础上，分析了５０８３铝合金ＴＩＧ焊的工艺特点，以便选择合理的 焊接工艺，得到满意的焊接接头。 关键词：５０８３铝合金，焊接性，焊接工艺，焊接接头 中图分类号：ＴＧ４４４＋．７４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－４８０１（２０１２）０４—１２１－０３ 铝合金作为一种传统的轻质结构材料具有较 小的密度和弹性模量，较高的比强度和韧性，无 成夹渣、气孔等缺陷。因此，焊前必须将其去除， 焊接过程中还需防止焊接区域发生氧化。 磁性，较好的耐蚀性和焊接性等特点［ 】。用于造 船业，其优点如下： １ 密度小，可有效减轻船舶重量，减小发动 机单机容量和油耗，用作上层建筑的结构材料， 可降低船体重心，增加稳定性： ２）由于铝及铝合金比热较高、电阻率小、导 热系数大，焊接时需要较大的热输入。 ３）线膨胀系数大导致铝及铝合金焊件变形 及裂纹倾向性较大，焊接时需要采取相应的措施 加以避免。 ２１弹性模量小，能充分吸收冲击应力，增加 安全性； ３）无磁性，减小对罗盘精度的干扰，还可以 避免军用舰艇受到磁性水雷的攻击； ４１较好的耐蚀性，能抵抗海水和海洋大气对 ４）铝及铝合金焊件的颜色不随温度改变，操 作时有一定的难度。 在焊接高温下，焊接区周围的水、油、碳氢 化合物等含氢的表面污染物；焊丝或工件表面的 氧化膜及其吸附的潮湿空气；保护气体中超标的 氢和水分等侵入焊接电弧。在焊接电弧的高温下 船体的腐蚀，延长使用年限并减少涂油等维修费 用： 将很容易分解成氢原子溶入过热的熔融金属中。 当熔融金属冷却并将凝固时，氢在液态金属中的 溶解度将陡然降低（如图１所示）。加之铝合金的导 ５ 较好的焊接性，自２０世纪３０年代始，焊 接逐步替代铆接成为船舶业的主要连接手段。作 为船舶建造的关键工艺之一，焊接直接影响船舶 的质量和建造周期【２］０ 热性很强，冷却速度快，使其结晶过程加快。铝 合金的密度小，气孔上浮速度慢，使熔池中形成 ５０８３铝合金具有良好的焊接性能，耐蚀性和 低温性能。在非热处理强化铝合金中强度最高。 的氢气泡来不及逸出，形成焊缝气孔。 这些优良的综合性能使５０８３铝合金的焊接结构 常用于船舶主结构［３】。 １焊接性分析 铝及铝合金外观呈银白色，具有塑性好，密 度小，电阻率小，比热大，线膨胀系数大及导热 系数大等理化性能。这些独特的理化性能使得铝 及铝合金具有区别于钢铁等其他金属的焊接特 点： １）铝及铝合金极易与空气中的氧结合生成 致密的熔点（２ｏ５ｏ＇ｃ）８￣高的Ａ１２０３氧化膜。焊接时 阻碍金属间的良好熔合，并容易在熔敷金属中造 图１氢在铝中的溶解度 铝及铝合金中常见的焊接裂纹属于热裂纹。， 热裂纹多产生于接近固相线的高温下，沿晶界分 作者简介：宫博（１９８４－－），男，助理工程师，硕士，主要从事金属材料焊接结构方面的研究。 机电技术 布；有时也可能在低于固相线的温度下，沿多边 形化边界形成。热裂纹主要是由晶界上的合金元 ２０１２年８月 两种特征形式：结晶裂纹和液化裂纹。与热处理 不可强化铝合金相比较，热处理强化铝合金更容 易出现近缝区液化裂纹。ＡＩ—Ｍｇ合金属于热处理 不可强化铝合金，其焊接裂纹多为结晶裂纹。当 素偏析或低熔点物质的存在引起的，多产生于焊 缝金属及熔合线附近的母材内，是凝固过程中高 温金属的性能、形态和收缩应变随温度降低而改 变，造成合金在凝固过程中收缩受到外界阻碍而 产生于晶界的一种缺陷。铝合金焊接热裂纹包括 Ｗｉｎ＝０．５％一２．５％时，Ａ１一Ｍｇ合金热裂倾向性较高。 ５０８３铝合金的化学成分如表１所示。 表１ ５０８３铝合金化学成分 由表１可见，５０８３铝合金Ｗｕｇ＝４．０％－４．９％， 械清理。具体操作方法如下： 热裂倾向性较小，且在母材中常加入Ｔｉ等细化品 粒元素，可防止裂纹产生【４］。当采用ＴＩＧ焊接时， 焊接热输入较为集中，能有效降低焊接应力，防 止产生焊接裂纹。 １）化学清洗。化学清洗主要是用来对工件进 行脱脂去油和除氧化膜。其特点是清理效率高， 质量稳定。适用于清理焊丝及小尺寸工件。小型 工件可采用浸泡法，大型工件可利用火焰将焊口 两侧各３０衄区域加热至１００℃左右，再涂擦室 温的ＮａＯＨ溶液，涂擦法的时间要略长于浸泡法。 ５０８３铝合金焊接后。存在一定程度的接头软 化问题。这主要是由于焊缝区存在较为粗大且方 向性较强的柱状晶粒，且在焊接热输入的作用下， 热影响区发生晶粒长大和再结晶造成的。铝及非 具体方法如下：首先用丙酮将焊件表面油污清洗 干净，然后再用６％～１０％的ＮａＯＨ溶液碱洗５～７ 热处理强化铝合金从固态到液态无同素异构转 变，在无其他细化晶粒措施的情况下易形成较大 的晶粒。同时，在焊接热循环的作用下，热影响 区性能的变化、焊材中元素的烧损及母材与焊缝 成分的差异等因素，导致接头的耐蚀性低于母材。 加之咬边、气孔、夹渣、未焊透等焊接缺陷破坏 接头表面氧化膜的连续性，减小缺陷处焊缝金属 的耐蚀有效厚度。接触电解质时，缺陷处的腐蚀 ｍｉｎ去除氧化膜，碱洗温度为５０．６０℃。接下来在 冷水中冲洗２ ｍｉｎ，再用３０％的室温ＨＮＯ３中和光 化２—３ ｍｉｎ，最后用冷水冲洗２ ｍｉｎ。放在 １００～１５０℃的干燥箱中烘干或者风干。 ２）机械清理。机械清理要求首先用丙酮将焊 件表面的油污擦洗干净，然后根据零件形状采用 机械切削的方法去除工件表面氧化膜。清洗范围 包括焊接工件坡口表面和正反面距焊口中心 ２０ ｍｉｌｌ左右。需要注意铝合金不宜采用砂布、砂 纸或砂轮打磨，因为铝合金硬度相对较小，打磨 时沙粒易嵌入金属中在焊接时造成夹渣等缺陷。 工件清理后要及时进行装配焊接，以避免焊 件表面再次氧化。特别是在潮湿以及被酸碱蒸汽 污染的环境中。清理后的焊丝、焊件焊前存放的 时间一般不要超过２４ ｈ，在潮湿的条件下，要在 清理后４ ｈ内施焊。 ２．１．２焊前预热 速度更快，造成整个接头的耐蚀性降低。ＴＩＧ焊 时，由于热量相对集中，焊接热影响区较窄，接 头组织比较细小，使得软化和耐蚀性降低等问题 得到缓解。 ２焊接工艺 ２．１焊前准备 ２．１．１ 焊前清理 通常铝及铝合金放置一段时间后，表面会形 成一层致密的氧化膜。这层氧化膜可以起到钝化 作用，防止铝合金进一步氧化。然而氧化膜对于铝 对于厚度超过８ ｒｎｎｌ的厚大焊件焊前预热有 助于防止焊接裂纹、减少气孔及焊接应力。预热 及铝合金的焊接是有害的，氧化膜不仅会使焊缝 产生熔合不良等缺陷，而且其吸附的水分还是铝 温度应选在１００～３００℃。预热温度过高会导致晶 粒长大，再结晶和热影响区增宽，从而影响接头 性能。 预热可采用氧．乙炔焰，电炉或喷灯对焊口进 合金焊接气孔的来源之一。因此母材及焊丝焊前 必须进行清理。常见的清理方法有化学清理和机 第４期 宫博：船用５０８３铝合金ＴＩＧ焊工艺研究 行局部加热。利用表面温度计或测温笔测量预热 温度。不具备测温条件时也可以用铅笔在铝件表 面划线，当加热至铅笔所划黑线颜色与铝件表面 颜色相近时即可开始焊接。 ２．２焊接工艺 钨极氩弧焊的焊接系统构成如图２所示。主 要可分为焊、电源、焊接控制系统、供水及供 种焊丝。其中，选择ＥＲ５３５６焊后可获得良好的 塑性，并且经阳极化处理后焊缝与基体的颜色一 致；选择ＥＲ５１８３焊后可以获得良好的强度和良 好的抗腐蚀性能，这一点对于长期受海水腐蚀的 船体结构来说尤为重要。因此，５０８３铝合金用作 船体结构时多选用ＥＲ５１８３焊丝。 ２．２．２焊接工艺 同其他铝及铝合金一样，５０８３铝合金的ＴＩＧ 气系统等部分组成。 焊采用交流电源。焊接时，焊件为负的半波内， 有阴极雾化作用，可破除焊件表面的氧化膜；焊 件为正的半波内，钨极发热较小，可延长钨极使 用寿命。采用高压脉冲引弧，以避免钨极与焊件 接触造成的钨极烧损及夹钨。在冷态焊件上施焊 时，引弧后在始焊点稍作停留，待母材边缘开始 熔化时再填丝前进。以保证良好的熔合和焊透。 填丝时焊丝不宜距离弧柱中心太远，以保证焊丝 被电弧预热并处于氩气的保护区内。熄弧时在超 图２钨极氩弧焊设备示意图 前于熄弧点２０～３０ ｒｌｌｌＴｌ处抬高电弧，增加送丝量， １．焊件；２．填充金属；３．钨极；４．焊；５．焊接电源： 使焊缝堆高，以避免弧坑的产生。氩气流量可按 ６．控制箱；７．电磁气阀；８．流量计；９．减压器：１０．氩气瓶 下式计算： ２．２．１焊丝的选择 （ （０．８－１．２ 焊丝选择的合理与否决定着焊接接头的力学 其中，Ｑ为氩气流量（Ｌ／ｍｉｎ）；Ｄ为喷嘴直径（ｍｍ）。 性能、耐蚀性能和抗裂性等。因此，选择焊丝不 引弧时，提前５～１０ Ｓ启送氩气，以排出管路、焊 仅要考虑焊缝的成分要求，还要考虑接头的力学 及待焊区内的空气；熄弧时，继续送气５～１５ Ｓ， 性能、耐蚀性能、结构的刚性、颜色及抗裂性等 以保护尚未冷却的工件熄弧区和钨极不被氧化。 问题。５０８３铝合金可选用ＥＲ５３５６和ＥＲ５１８３两 部分厚度的５０８３铝合金手工ＴＩＧ焊工艺如表２ 所示。 表２部分厚度的５０８３铝合金手工ＴＩＧ焊工艺 ３结语 接头形式，合理地选择焊接材料，制定合理的焊 ５０８３铝合金具有优良的焊接性能。具体应用 接工艺，提供焊接高温区良好、可靠的气体保护 时，根据焊接结构的使用工况条件，正确地设计 和正确地采用消除应力措施，即可获得优良的焊 接接头。 参考文献： ［１】Ｂａｎｇ Ｋ Ｓ，Ｋｉｍ Ｗ Ｙ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ＨＡＺ ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｒｏｌｌｅｄ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ－ｃｏｏｌｅｄ ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００２，８ １（８）：１７４－１７９． ［２】田福泉，李念奎，崔建忠．超高强铝合金强韧化的发展过程及方向［Ｊ］．轻合金加工技术，２００５（１２）． ［３周振丰，３］张文钺．焊接冶金与金属焊接性（第２版）［Ｍ］．北京，机械工业出版社，２００７． ［４】周万盛，姚君山．铝及铝合金的焊接（第１版）［Ｍ】．北京，机械工业出版社，２００６．
