船用铝合金MIG焊焊接工艺制订要点

CCS重庆分社 段 昊

某船厂原主要以建造钢质和不锈钢液货船为主，为了更好地发展，拟向铝合金结构制造方面拓展业务作为技术储备，打算首先制订出船厂自己的铝合金MIG焊接工艺。但该船厂并没有铝合金结构制造的经验，遂参照工厂现有碳素钢和不锈钢CO2气体保护焊焊接工艺，结合查阅资料的情况和焊接试验室的经验，制订了铝合金MIG焊接工艺。船厂抽调了13名一线熟练焊工按照焊接规范进行了实操焊接，从焊接试板的焊缝外观情况看，焊缝成形较好，无明显缺陷，外观检查合格。但随后在弯曲试验中，该批试件全部断裂，第一次焊接试验失败。

失败的弯曲试件断面情况反映出多种焊接缺陷：除了明显的未焊透（浅表焊）和气孔外，亦有未融合、夹杂等缺陷。笔者汇总了本次焊接试验的资料，并进行了总结。经分析：除了焊工新接触铝合金MIG焊，尚未适应铝合金焊接特点的因素外，失败的主要原因还是铝合金焊接工艺制定时，简单套用了碳素钢CO2焊的焊接经验，没有充分考虑到铝合金MIG焊接的特点，使得制定的工艺与铝合金焊接不匹配。

MIG焊特点

1、铝合金焊接接头软化严重，高温铝的强度很低，容易焊穿。

2、铝容易氧化，生成的Al2O3氧化膜熔点高、稳定，不易去除，在焊接过程中阻碍了母材的熔化和熔合，使得铝合金焊接容易产生夹杂、未融合、未焊透等缺陷。

3、Al2O3氧化膜吸附水分，水分导致铝合金焊接容易产生气孔。

4、铝的线膨胀系数高，需要采取预防焊接变形的措施。

5、铝的热导率和比热容相比碳素钢的热导率和比热容高出很多，使得铝合金焊接需要的热输入量大。

影响焊接工艺制定的因数

焊工因数：焊工需抛开碳素钢和不锈钢焊接经验和焊接习惯的影响，重新总结铝合金焊接经验。

Al2O3氧化膜因数：为了减小氧化层的影响，一方面，焊接前应采用化学或机械方法进行严格的表面清理，清除其表面氧化膜；另一方面，在焊接过程加强保护，防止铝的氧化：采用去除氧化膜的焊剂；在厚板焊接时，加大焊接热量。

焊前清理：使用不锈钢刷或者用丙酮清洗焊缝区域；不使用砂轮打磨，特别是硬质砂轮，会导致杂质进入焊缝，导致热裂纹；焊接铝合金使用的工具应该与焊接碳素钢使用的工具彻底区分开；清理完毕后应立即施焊；如清理后，在一定时间内未能施焊（4小时），则在施焊前应重新清理。

工装：选用点接触形式的工装，避免工装带走热量，从而加速熔池的凝固，不利于焊缝气孔的排除；同时，工装夹具的压力应适中（9.0～9.5MPa）。

保护气体：纯氩气（Ar100%）一般应用于铝合金薄板的焊接；在铝合金厚板焊接中采用氩气（Ar70%）+氦气（He30%）的混合气体。同时需注意的是：气体流量应适中，不能过大。

坡口： 对于板厚在3mm以下的对接焊缝不开坡口；3mm以上的对接焊缝应开坡口；另，不开坡口的对接焊缝可以在焊缝背面倒角0.5-1.0mm，这样有利于气体的排放和避免背面凹槽，从而提高焊缝质量（见图）。

焊枪角度的选择：在焊接方向上，焊枪角度一般控制在90°左右。

焊接规范参数：鉴于铝合金焊接的特点和铝合金区别于碳素钢的物理特性，铝合金焊接宜采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的焊接方法。

焊接工艺参数的调整

按照上述原则，笔者针对船用铝合金MIG焊接工艺的制订，与船厂焊接试验室的技术人员一道，从多方面着手进行了进一步的摸索和调整。经过多次焊接试验，提出了铝合金MIG焊接工艺的调整方案（见表）。

调整焊接工艺方案后，再次让焊工按照新的焊接规范进行了实操焊接，均获得了质量不错的铝合金板对接焊缝，并一次性通过了弯曲试验。

两个方案的共同点：①均采用了单面坡口的形式。因为在此厚度下，碳素钢板对接焊基本上可以保证焊缝的熔透，而对于铝合金板就很难获得稳定质量的熔透焊缝了；同时，为了使焊接的可达性提高，该处坡口的角度可以提高到每边35°。②焊前清理工具均改为采用不锈钢刷进行清理。

两个方案的差异：①方案一：其他条件不变的情况下，将保护气体换成了氩气（Ar70%）+氦气（He30%）的混合气体，同时适当提高了焊接电流。这种情况下，能量密度的增大是明显的，效果也不错，但使用氦气后，增大了生产成本。②方案二：重点着眼于焊接规范内的参数调整，其焊接电流和焊接速度的提升较大，也获得了不错的效果。生产成本低于第一种方案，但因为焊接速度的提高，对焊工要求提高。

综上所述，尽管从型式上看，铝合金熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）与碳素钢CO2气体保护焊有着类似和互通的地方，但铝合金的物理特性和在焊接中的表现却与碳素钢有着很多不同，使得我们在制定铝合金焊接工艺时一定不能简单套用后者的经验，而必须在了解了铝合金及铝合金焊接后才能制定与之相匹配的焊接工艺；同时，焊工在新从事铝合金焊接工作时，需要抛开碳素钢的焊接经验和习惯，养成铝合金焊接的习惯。

对于铝合金MIG焊接工艺的制订和审核，尤其是船厂初涉铝合金MIG焊时，特别应注意：

① 厚度3mm以上的铝合金板对接焊缝，需要开坡口才能保证焊缝的熔透；

② 采用小规范焊接铝合金薄板时，工装的选用和固定方式需要保证焊件的热量不会大量流失，否则也容易出现未焊透的缺陷；

③ 铝合金焊接的焊前清理方法和措施有别于碳素钢，清理工具不能混用；

④ 铝合金焊接宜采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的焊接方法。