隨著我國高速鐵路的高速發(fā)展及鋁合金焊接工藝的不斷完善，鋁合金車體在高鐵項目中也得到了廣泛的應(yīng)用。作為焊接質(zhì)量控制項點(diǎn)之一的鋁合金角焊縫質(zhì)量，也是高鐵項目中重點(diǎn)控制的內(nèi)容之一。

相對便于進(jìn)行RT、UT等體積類無損檢測的對接焊縫而言，對接焊縫質(zhì)量的好壞易于判斷和掌控。而角焊縫，因其結(jié)構(gòu)因素的限制，在無損的情況下，無法進(jìn)行內(nèi)部的體積類檢測，如RT等。為更好地了解角焊的焊后質(zhì)量，只能通過宏觀斷面或斷裂試驗來驗證。而實際焊接宏觀試樣顯示，鋁合金角焊根部裂紋作為一項關(guān)鍵質(zhì)量問題，常常困擾著鋁合金生產(chǎn)商。

試驗過程

為了研究各外部因素對于6系鋁合金角焊縫質(zhì)量的影響，分別采用產(chǎn)品中最常見的兩種厚度4mm、10mm的6005A型材進(jìn)行不同試驗。母材的化學(xué)成份如表1，焊接保護(hù)氣體為99.999%的高純氬氣。試驗采用熔化極氬弧焊工藝，焊接采用進(jìn)口奧林康品牌ER5087焊絲，其直徑為1.2mm，詳細(xì)的化學(xué)成份如表2。

表1  6005A鋁合金化學(xué)成份（%）

 試驗從焊接時焊槍角度變化、板厚組合變化等方面入手，在各種條件相同的情況下，每次只改變一種影響因素，以驗證其對角焊縫根部裂紋的影響效果。具體的焊接參數(shù)見表3。

表3  6005A鋁合金角焊參數(shù)

焊接時焊槍角度影響

如圖1所示，采用不同焊槍角度焊接，同時焊絲指向焊縫中心處。通過宏觀金相可以看出：焊槍角度為40o～45o，焊縫成形要比其它焊槍角度時美觀，且立板和底板兩側(cè)熔合良好，如圖2b；而焊槍角度為45o～50o區(qū)間內(nèi)時，焊縫底板熔合偏少。通過微觀金相分析，還可以發(fā)現(xiàn)：焊槍角度大于50o的情況下，焊縫的根部會出現(xiàn)一條透過熔合線，向焊縫內(nèi)延伸的收縮溝槽；收縮溝槽的前端，存在細(xì)小的微細(xì)裂紋，向焊縫中心延伸，如圖3。

圖1  焊槍角度試驗示意圖

             圖2  各種焊槍角度下宏觀金相圖

圖3  焊槍角度大于50o時焊縫微觀金相

電弧指向的影響

焊接時，電弧的指向通常可以采用偏向立板1～1.5 mm、指向中心、偏向底板1～1.5 mm三種方式中的其中之一，如圖4。在驗證電弧指向的影響時，采用上述驗證焊接操作角度較好的35o～45o位置。
 

圖4  焊接時電弧指向示意圖

圖5  各種電弧指向下焊縫宏觀、微觀金相 

圖5是三種不同電弧指向下，焊縫的宏觀及焊趾根部的微觀金相。通過金相觀察可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電弧指向略偏向立板或指向焊趾中心時，焊縫的根部會出現(xiàn)微觀裂紋；而當(dāng)電弧指向略偏向底板時，焊縫根部的微觀缺陷會消失。分析其原因，主要是因為角焊縫是三維散熱模式，底板上有兩個方向的熱傳導(dǎo)，立板上只有一個方向的熱傳導(dǎo)。當(dāng)電弧指向偏向于立板或指向于焊趾中心時，底板因兩個方向的熱傳導(dǎo)所致熱散發(fā)得較立板快，所以焊趾根部區(qū)域底板上熔池會最先冷凝，而立板方向上的熔池會稍后冷凝，在收縮拉應(yīng)力的作用下，焊趾根部會發(fā)現(xiàn)如圖5a、b所示的微觀裂紋；而當(dāng)電弧指向略偏向底板時，焊趾根部的熔池在三維方向上的冷凝速率相當(dāng)，熔池三維方向上的受力均衡，所以焊趾根部不易出現(xiàn)微觀裂紋。

另外，在焊接過程中電弧觀察：當(dāng)電弧指向略偏向于立板時，電弧會主動向下方底板方向擴(kuò)展拉伸，并且在電弧向底板擴(kuò)展拉伸過程中，電弧會時常有跳動現(xiàn)象發(fā)生，焊接過程不穩(wěn)定的傾向性較另外兩種焊接方式相對增大。焊接過程中電弧的跳動，也增大了焊接缺陷產(chǎn)生的幾率。

立板與底板厚度影響

在鋁合金高速列車實際產(chǎn)品生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到立板與底板厚度不等厚的角焊情況。為了探究立板、底板厚度不等厚時角焊縫質(zhì)量異同，并結(jié)合鋁合金高速列車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的實際特點(diǎn)，選擇了4mm、10mm兩種常見厚度的型材分別為底板和立板，進(jìn)行焊接試驗。試焊時采用的焊槍角度及電弧指向均為基于上述相關(guān)試驗結(jié)果中最好的參數(shù)，詳細(xì)請參圖6。

圖6  不同厚度的立板與底板組合示意圖

圖7 角焊根部微觀金相

圖7為底板為4mm，而立板為10mm焊縫的微觀金相。在其根部存有細(xì)小的微裂紋，并從根部向焊縫中心延伸擴(kuò)展。角焊縫焊接時，熔池為三個方向散熱，底板因其厚度偏薄，且為兩個方向上散熱，其熱傳導(dǎo)速度較偏厚的立板快，所以偏向于底板的熔池側(cè)冷卻速度快于偏向立板的熔池側(cè)。由于焊接過程中，熔池兩側(cè)的冷卻速度差異，導(dǎo)致剛形成的固態(tài)焊縫受拉應(yīng)力作用，進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋。

結(jié) 論

通過6005A鋁合金角焊縫的焊接試驗，可以得出以下結(jié)論：

5.1  6系鋁合金角焊時，最有利于保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量的焊操作角度為35o～45o；

5.2  為了減少6系鋁合金角焊縫根部產(chǎn)生微觀裂紋的傾向性，焊接時應(yīng)將焊絲指向略偏向底板，約一個焊絲直徑距離；

5.3  焊接6系鋁合金角焊縫時，底板的厚度應(yīng)盡可能不薄于立板，這樣可以避免焊縫根部產(chǎn)生微裂紋。

來源：制造工藝前沿

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