铝合金高纯氩MIG焊接应用研究

黄成成 张宁宁

摘要：现阶段，社会进步迅速，搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，FSW）是英国焊接研究所发明的一种固相焊接技术。虽然FSW铝合金焊接具有焊接质量好、焊后变形小的特点，但是在焊接过程中如果参数不匹配，难免出现焊接缺欠，对于一些成本高、制造周期长的铝合金部件，产生FSW缺欠后对其进行修复使其满足设计使用要求，就凸显出良好的经济效益和生产效益。本文主要讲述铝合金厚板（不小于6mm）FSW局部缺欠采用MIG焊接方法进行修复。通过对缺欠的宏观分析、MIG修复缺欠试验，摸索出一套工艺方法，能够满足在FSW焊缝上进行MIG焊接后，焊缝性能满足铝合金构件设计使用的要求，并且为这套补焊工艺在铝合金车辆制造过程中的使用积累宝贵的数据和经验。

关键词：铝合金;高纯氩MIG;焊接应用研究

引言

6061-T6铝合金材料具有良好的综合性能，如重量轻、耐腐蚀、外观平整度好等，被广泛地应用于制造塔式建筑、船舶、电车、铁道车辆等行业。目前，针对这种铝合金材料的焊接，普遍采用以Ar-He混合气体作为保护气体的MIG焊接工艺，熔化能力强，抗气孔效果好，但是随着He含量的增加，电弧的稳定性越来越差，成本越来越高。首先，He的密度仅仅只有Ar的十分之一，要达到相同的保护效果，He的流量应是Ar的3～4倍，这就大大增加了焊接成本，其次，采用纯He作为保护气体，电弧不稳定，容易产生飞溅，焊缝表面较粗糙。Ar是惰性气体，既不与金属起反应，也不溶于液态金属，同时能量损耗低，电弧燃烧稳定。在MIG焊接中无飞溅或飞溅很小。由于其密度比空气大，所以保护效果非常好。在生产中，铝合金焊接时，氩气的纯度应>99.9%，其中夹杂的氧和氢总的体积分数<0.005%，氮总的体积分数小于0.015%，控制在0.02mg/L以下。否则就会造成合金元素烧损，焊缝出现气孔，表面无光泽、夹渣或发黑、成形不良等现象。此外，还会影响电弧的稳定性，导电嘴回绕频率加大，使焊丝与母材熔合不好。焊接铝合金薄板时，主要使用纯氩气作为保护气体，这主要是因为纯氩气保护时，热输入量较小并且熔深浅。为了降低生产成本，提高企业经济效益，本文采用高纯氩作为保护气体，对3～20mm不同厚度的6061-T6铝合金分别进行了MIG焊接，分别对其全熔透对接接缝、全熔透T形接缝、角焊缝等不同接头类型以及平焊、立焊和仰焊等不同焊接位置下试件的接头组织与性能进行了详细的研究。

一、概述

搅拌摩擦焊是一种主要用于低熔点金属（如铝、镁、铜及其合金）的新型固相焊接技术，具有优质、高效、绿色、小变形等优点，目前已在航空航天等领域得到了越来越广泛的应用。但是，由于工艺参数偏差等因素搅拌摩擦焊焊缝也可能会产生一些与熔化焊缺陷不同特征的缺陷。目前，用于搅拌摩擦焊焊缝未焊透缺陷的无损检测技术主要是涡流、渗透等表面检测技术，而对封闭焊缝底部未焊透这些表面检测技术并不适用。超声相控阵作为一种新型的无损检测方法，在微小缺陷识别能力、检测速度等方面具有突出优势，适合于搅拌摩擦焊焊缝的无损检测。文中以不同弯曲形态的未焊透缺陷为对象，研究對其的无损检测技术，分析超声相控阵、常规超声波与X射线检测对搅拌摩擦焊焊缝缺陷检测的适用性及优越性。

二、MIG焊接修复

（一）焊接设备

焊接设备使用SAF-FRO-DIGIPULSII420脉冲半自动焊接电源，此电源具有良好的可操作性，并且有灵活的热起弧和收弧功能。热起弧采用正常焊接参数的120%左右进行焊接。收弧功能主要应用于焊接即将结束或收弧部分，采用正常焊接参数的75%～85%进行焊接。并且具有这3种焊接参数要在不停弧的状态下自由切换的“4”步功能。本试验中预设收弧电流为焊接电流的80%。

（二）焊接坡口的制备

首先根据缺欠的深度采用专用铣刀进行铣削，清理深度以大于缺欠深度1～2mm为宜，然后进行坡口的制备。在试验中发现FSW试件中的缺欠基本是呈线状分布，缺欠清理后的开口实际存在两种坡口角度，一种是纵向的角度，一种是横向的角度横向开口尺寸较小，焊接时可将两侧母材视为带V形坡口的对接接头，坡口角度为（35±5）°;纵向开口两侧坡口角度分别为（55±5）°。这主要是为了保证MIG焊接的可操作性，熔化焊中焊缝的起弧和收弧处最容易出现焊接缺欠，纵向坡口的两端位于MIG焊接的起弧和收弧位置，此处的焊接质量直接关系到焊缝质量。坡口角度的大小、坡口面和根部的过渡状态直接关系到MIG焊接质量的好坏，角度越小，坡口面就越短，和焊道根部的过渡状态越尖锐，在坡口面上焊接时产生立向下焊（PG位置）的倾向就越大，这种焊接位置极易造成未熔合的焊接缺欠，在铝合金熔化焊接中应该尽量避免使用立向下焊位置焊接。所以纵向开口两侧坡口角度适当增大是有利的。为了找出最合理的坡口角度，分别对坡口角度50°、55°、60°3种状态进行了MIG焊接试验。

（三）MIG焊前母材及坡口的清理

首先使用PT检测的方法对坡口根部进行FSW缺欠的确认，确认不存在缺欠后再对焊道面和母材表面进行清理。将其两侧50mm范围的表面使用专用的铝合金清洗液进行去污处理，使用不锈钢碗刷将焊道两侧20mm范围内清理出金属光泽，确认焊道两侧无异常后可进行下步的焊接。由于焊接缺欠是内部缺欠，且有一定的深度，所以焊接方式采用堆焊，堆焊的层数视缺欠的深度决定。在试验中发现多层多道焊中只有作为打底焊的第1道焊缝参数和填充层焊缝的参数区别较大，所以制定焊接参数时只要确定第1道打底焊和开始填充的第2道焊缝参数即可，作为后续堆焊层可用第2道焊缝相同的焊接参数就可满足要求。

三、搅拌摩擦焊未焊透缺陷的常规超声波和X射线检测

超声波C扫描是利用超声波探伤原理提取垂直于声束指定截面的回波信息而形成二维图像的技术，可以直观地显示缺陷的水平投影位置。将超声波C扫的图像按指定波形振幅以红、橙、黄、黑等8种颜色进行显示，其中黑色表示超声波信号遇到不同材料的界面（如缺陷），此时信号会部分反射及穿透，导致其回波强度较弱。试样A只在搅拌摩擦焊焊缝的匙孔、鱼鳞纹以及两侧飞边的位置呈现黑色图案，并未检测出焊接缺陷;试样B和试样C的超声波C扫图像除在上述位置有黑色填充外，在焊缝处（试样B的前半段、试样C的几乎整段）还出现黑色线条，根据焊接缺陷的位置、图像的连续性以及形状可判断为未焊透缺陷由此可看到，搅拌摩擦焊未焊透缺陷的超声波C扫检出率与缺陷的弯曲形态有关，弯曲程度越大的未焊透由于受塑化金属作用更大，其界面结合较紧密，结果检测回波信号反馈较弱，检出率较低。3种试样均可看到与周边存在一定色差的黑色线条，其中试样A的黑色线条较淡，很容易被忽视，且根据其位置、连续性及形状无法判断是否为未焊透缺陷;试样B黑色线条相对更明显，但也仅在局部才显示，可以判断其可能为未焊透;而试样C存在明显的黑色线条，呈连续的分布，很容易判别为未焊透缺陷。因此，搅拌摩擦焊未焊透缺陷的X射线检出率也与缺陷的弯曲形态有关。根据X射线的检测原理，试样中存在有焊接缺陷时吸收和透过的X射线能量不一样，结果在检测图像中将缺陷以色差的形式显示出。当斜面角减小时，未焊透缺陷界面的弯曲程度增大，也更偏离竖直方向，X射线垂直穿透下来，相当于所经过区域的缺陷变小，反映在检测图像中与正常试样的色差变弱，试样C的未焊透大部分接近竖直，在X射线检测图像上才表现出明显的色差，有较高的检出率。

结语

使用高纯氩MIG焊接，焊缝宏观表面熔合良好，焊缝平整。焊缝中未见裂纹、夹杂、未熔合等缺陷。经X射线检测，达到ISO10042标准中B级要求，符合合格标准。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].北京：机械工业出版社，2001.