朱曉星，楊學(xué)勤，林 濤，陳華斌

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海201600）

大直徑薄壁異種鋁合金結(jié)構(gòu)件脈沖TIG焊

朱曉星1，楊學(xué)勤2，林 濤1，陳華斌1

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海201600）

以金屬膜片貯箱的制造為研究對象，貯箱為典型的變厚度薄壁異種金屬焊接結(jié)構(gòu)件。采用交流脈沖TIG焊接方法對貯箱1050A和5A06異種鋁合金結(jié)構(gòu)開展工藝試驗(yàn)，確定貯箱焊接的最優(yōu)工藝規(guī)程：焊接速度2.5～4.2mm/s、峰值電流140～160A、送絲速度8～14 mm/s、鎢極中心偏向1050A母材側(cè)1.5 mm。結(jié)果表明，焊接接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到82 MPa，接近1050A母材強(qiáng)度，延伸率達(dá)到30％以上，滿足接頭性能要求。

大直徑薄壁結(jié)構(gòu)；異種鋁合金；脈沖交流TIG焊接

0 前言

大型宇航結(jié)構(gòu)件制造過程中，不僅需要對大量同種材料進(jìn)行焊接，同時(shí)也需要對相當(dāng)數(shù)量的異種材料進(jìn)行焊接。采用異種材料焊接結(jié)構(gòu)，不僅能滿足不同工作條件對材質(zhì)的不同要求，還能節(jié)約材料，降低結(jié)構(gòu)整體成本，發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢。鋁合金是目前航天產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛的材料，5A06鋁合金具有良好的抗腐蝕性和焊接性；工業(yè)純鋁具有可塑性高、耐蝕、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)，但強(qiáng)度低，不能通過熱處理強(qiáng)化，可切削性不好，焊接性能差。某產(chǎn)品貯箱為5A06鋁合金和1050A純鋁懸空焊接結(jié)構(gòu)[1-2]。

鋁合金化學(xué)性質(zhì)比較活潑，表面易氧化生成氧化膜，熱導(dǎo)率高，線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)容易形成裂紋、氣孔等缺陷[3]。交流氬弧焊（Tungsten InertGas Welding，TIG）具有對母材表面氧化膜的陰極清理作用，有利于焊接表面易氧化的鋁及其合金[4]。5A06鋁合金和1050A純鋁在熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率及比熱容等方面存在一定差異，可能出現(xiàn)焊縫金屬熔合不良的問題；其次，焊接過程為最后的懸空密封焊接，而鋁合金的表面張力小，高溫強(qiáng)度低，可能出現(xiàn)焊縫塌陷甚至焊漏等問題[5]；焊接作為結(jié)構(gòu)件制造環(huán)節(jié)的最后工序，要保證良好的表面質(zhì)量。異種材料5A06和1050A的懸空焊存在較高的工藝難度，在此以金屬膜片貯箱的研制為背景，研究了5A06和1050A異種鋁合金材料的TIG工藝及焊接接頭性能，并進(jìn)行了工藝驗(yàn)證。

1 貯箱焊接工藝試驗(yàn)

該金屬膜片貯箱外形為球形，由上、下半球、金屬膜片和連接環(huán)四部分焊接而成，上半球、下半球和連接環(huán)采用5A06鋁合金板材，壁厚3 mm，金屬膜片采用1050A材料，壁厚1.6～2.1 mm，為變壁厚結(jié)構(gòu)，待焊處壁厚1.6 mm，焊接部分為鎖底結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 金屬膜片貯箱結(jié)構(gòu)示意Fig.1General view of the structure of the fuel tank

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為規(guī)格400 mm×100 mm×1.6 mm的5A06鋁合金板材以及400 mm×100 mm×1.6 mm的 1050A退火態(tài)純鋁，焊接接頭形式為對接、無間隙。

鋁合金板材及焊絲化學(xué)成分（GB/T 3190-1996）和性能如表1和表2所示[6]。1050A純鋁的強(qiáng)度很低、延伸率較高；5A06鋁合金由于增加了鎂、錳、鈦等元素，所以改善了耐蝕性，提高了合金強(qiáng)度，細(xì)化了晶粒，但降低了塑性。

表1 1050A和5A06化學(xué)成分[6]Tab.1Chemical composition of 1050A and 5A06％

表2 1050A和5A06力學(xué)性能[6]Tab.2Mechanical property of 1050A and 5A06

1.2 試驗(yàn)條件及方法

采用交流TIG焊接鋁合金，電弧穩(wěn)定且焊接過程無飛濺，對母材表面氧化膜有陰極清理作用。鑒于金屬膜片貯箱直徑700 mm，膜片厚度1.6 mm，屬于大直徑薄壁鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件，并且受膜片空間結(jié)構(gòu)形式限制，故采用懸空焊接。選擇脈沖交流TIG焊為金屬膜片貯箱焊接工藝，減小金屬膜片焊接變形和焊接熱影響區(qū)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，主要包括HP-6型工業(yè)機(jī)器人、單軸旋轉(zhuǎn)變位機(jī)和OTC500P交直流兩用電源。

圖2 金屬膜片貯箱機(jī)器人脈沖TIG焊接系統(tǒng)Fig.2Robotic pulse TIG welding system of fuel tank

鋁及鋁合金異種材料焊接需選用化學(xué)成分與母材相近或抗拉強(qiáng)度較高的焊絲作為填充材料。鋁

合金異種材料焊接需要通過焊接性試驗(yàn)或者焊接工藝評定最終確定焊絲牌號，通常盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)焊絲。1050A工業(yè)純鋁和5A06鋁合金的焊接性好，適用于各種熔焊方法。5A06的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于1050A，5356焊絲化學(xué)成分與5A06鋁合金相近，5356焊絲的鎂含量約為5％，該焊絲中還加入了0.05％～0.2％的Ti，起到細(xì)化焊縫晶粒、降低生成焊接裂紋傾向、提高焊縫金屬韌性及延性的作用，因此選用直徑1.6 mm的5356鋁合金作為焊絲，其化學(xué)成分如表3所示。

表3 5356焊絲化學(xué)成分Tab.3Chemical composition of 5356％

采用直徑3.2 mm的鈰鎢電極，焊前鎢極打磨成錐形，并通過大電流作用在尖端形成半球形狀，使得焊接電弧更集中。保護(hù)氣體采用純度99.99％氬氣，氣體流量8～10 L/min。

脈沖交流TIG焊的主要工藝參數(shù)包括基值電流、脈沖電流、焊接速度和送絲速度等。當(dāng)脈沖頻率與焊接速度匹配合理時(shí)，可以獲得由多個(gè)焊點(diǎn)相互搭接而成的連續(xù)焊縫，外觀呈均勻的魚鱗波紋，在頻率較低時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。氧化膜的存在會導(dǎo)致未焊透、未熔合、焊縫夾雜等缺陷，且由于氧化膜吸附大量水分可導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔，所以采用化學(xué)清洗除去試件表面的氧化膜、油脂和塵污是鋁合金焊接前必須的準(zhǔn)備工作。由表3可知，1050A純鋁的比熱容、熱導(dǎo)率、密度和熔點(diǎn)均高于5A06鋁合金。經(jīng)過試驗(yàn)比較，為解決焊縫成形和電弧偏吹問題，將電弧中心向1050A純鋁方向偏離焊縫中心1.5 mm，焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)Tab.4Welding process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為分析異種材料焊接接頭的力學(xué)性能，對焊接試樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，如表5和圖3所示。焊接接頭拉伸強(qiáng)度達(dá)到82 MPa以上，基本與1050A母材抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，延伸率達(dá)到30％以上，大于母材。1050A與5A06鋁合金接頭低倍宏觀形貌如圖4所示，接頭內(nèi)部無缺陷、界面清晰。焊縫區(qū)微觀組織照片如圖5所示，焊縫區(qū)域?yàn)榧?xì)小、均勻的胞狀枝晶，1050A純鋁熔合線分界明顯，晶粒垂直于熔合線，呈柱狀組織向焊縫中心生長。

表5 接頭機(jī)械性能及X射線檢驗(yàn)結(jié)果Fig.5Mechanical property and result of X-ray test of the joint

圖3 試件接頭機(jī)械性能Fig.3Mechanical properties of the joint

圖4 焊接試樣拉伸接頭低倍組織Fig.4Macrostructure of the Welding sample

通過上述對平板異種材料對接工藝的研究，進(jìn)一步驗(yàn)證金屬膜片貯箱試驗(yàn)件施焊和工藝，金屬膜片為懸空焊接，焊接接頭形式為鎖底對接接頭。膜片試驗(yàn)件的焊接過程中，環(huán)縫存在接口，因此

在接口重疊處需對焊接電流進(jìn)行衰減處理，由于工件厚度較薄，對參數(shù)較為敏感，參數(shù)匹配嚴(yán)格，因此焊接電流衰減的同時(shí)，還需對送絲速度進(jìn)行衰減。

圖5 焊接接頭微觀組織Fig.5Microstructure of the welding joint

具體工藝為：在收弧處100 mm范圍內(nèi)將峰值電流由最大值緩降至5 A，送絲速度由最大值緩降為0。最終金屬膜片試驗(yàn)件焊接效果如圖6所示，焊縫成形良好，光潔平直，且正面余高均勻一致，接頭內(nèi)部質(zhì)量滿足QJ 2698-95Ⅰ級焊縫要求。

圖6 焊接完成后的試驗(yàn)件Fig.6Test article after welding

3 結(jié)論

（1）焊接薄壁5A06和1050A異種鋁合金時(shí)，采用低頻脈沖交流TIG焊，填充焊絲，電弧偏離焊縫中心，獲得了優(yōu)良的力學(xué)性能，焊縫區(qū)為細(xì)小的胞狀枝晶。

（2）金屬膜片試驗(yàn)件懸空焊接時(shí)，采用鎖底對接形式，可以獲得良好的焊縫成形和優(yōu)質(zhì)的試驗(yàn)件焊接質(zhì)量。

[1]周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：182-183.

[2]王悅.脈沖頻率對鋁合金TIG焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響[J].電焊機(jī)，2015，45（9）：110-112.

[3]袁華廷，徐艷利，李瑞，等.2A14_5A06異種鋁合金焊接工藝研究[J].航天制造技術(shù)，2015，2（1）：23-26.

[4]張文明，劉茂增，柏久陽.鋁合金焊接新技術(shù)[J].電焊機(jī)，2013，43（9）：78-80.

[5]廖傳清，宿國友，高艷芳，等.7075/5A06異種鋁合金TIG焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2015，25（1）：43-48.

[6]李麗，蘇霄.1050A鋁合金模擬海洋大氣環(huán)境腐蝕行為的中性鹽霧試驗(yàn)[J].腐蝕與防護(hù)，2014，35（4）：367-370.

Pulse TIG welding of major diameter thin-walled dissimilar aluminum alloy structure

ZHU Xiaoxing1，YANG Xueqin2，LIN Tao1，CHEN Huabin1
（1.College of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute，Shanghai 201600，China）

This paper studies the development ofa metallic diaphragmtank which has a typical structure ofvariable thickness and different metal welding.AC pulsed TIG welding is used to carry on the processing experiments to weld the 1050A and 5A06.The appropriate parameter is as follows：welding speed is 2.5～4.2 mm/s，pulse frequency is 1 Hz，duty ratio is 50％，base current is 80～95 A，peak current is 140～160 A，argon flow rate is 4～6 L/min，feeding speed is 8～14 mm/s.The tip of the torch is 1.5 mm to the 1050A side. The results show that the tensile strength of the welding can be up to 82 MPa and the extensibility can be more than 30％.Mechanical properties of the welding meet requirements.

major diameter thin-wall structure；dissimilar aluminum alloys；pulse TIG welding

TG444+.72

A

1001－2303（2016）09－0016-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.04

2016-04-20；

2016-08-30

朱曉星（1986—），男，江蘇無錫人，在讀碩士，主要從事焊接激光加工工藝及自動化的研究。