吳 旻 ， 王巧利 ， 朱 凱 ， 朱 麗 ， 閆廣利

（1.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

對(duì)于航空產(chǎn)品中常用的防銹導(dǎo)管，如5A02 導(dǎo)管、3A21 導(dǎo)管等，焊接時(shí)，按照HB/Z 119—2011[1]的要求，對(duì)應(yīng)不同的母材應(yīng)選用相應(yīng)的焊絲進(jìn)行連接填充。如：針對(duì)防銹鋁5A02 導(dǎo)管，應(yīng)選用5A03焊絲；針對(duì)5A02、3A21 導(dǎo)管相連，應(yīng)選用5A03 焊絲等。但在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)因同規(guī)格的5A03 焊絲和2A10 鋁絲在外觀上目視很難區(qū)分，曾出現(xiàn)將5A03 焊絲和2A10 鋁絲混用，錯(cuò)焊5A02 鋁合金導(dǎo)管的情況，導(dǎo)致產(chǎn)品零件后續(xù)加工和使用中的焊接部位開(kāi)裂，危害很大。為加強(qiáng)質(zhì)量控制，杜絕錯(cuò)混料焊接導(dǎo)管流入下一道工序，除了在源頭上加強(qiáng)對(duì)焊絲的標(biāo)識(shí)和管理外，還需要研究出一種方法可以檢查出已經(jīng)焊接的零件中有無(wú)此種錯(cuò)混料情況發(fā)生。

關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)零件焊接部位的質(zhì)量檢查[2-4]，焊接缺陷可以用射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)等方法[5-7]檢查，對(duì)于焊縫化學(xué)成分的檢查，在開(kāi)放空間可以采用多種手段，如用手持式X 射線熒光光譜儀和化學(xué)反應(yīng)顯色法等；但對(duì)于封閉區(qū)和半封閉區(qū)零件的排查，因可供操作的空間較小，目前檢測(cè)技術(shù)手段缺乏。為彌補(bǔ)這一缺失，研究一種定量檢測(cè)的方法，可以區(qū)分焊接部位有無(wú)錯(cuò)混料及錯(cuò)混料的程度，挑選出有問(wèn)題的零件。

本研究模擬5A03 焊絲和2A10 鋁絲混用的多種錯(cuò)混焊點(diǎn)情況，研究在不拆卸零件的情況下，根據(jù)零件焊接工藝質(zhì)量檢驗(yàn)的要求，在保證焊縫余高的情況下，以不損傷零件為前提，制定對(duì)零件的焊縫背面，也就是導(dǎo)管的內(nèi)腔焊縫進(jìn)行原位打磨粉末，采用ICP-AES 光譜分析粉末中特征元素Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，來(lái)判斷焊縫中是否混入2A10 鋁絲，以及混入量為多少的檢查方法[8-9]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICPAES）；鹽酸，密度約為1.19 g/mL，1+1；硝酸，密度約為1.40 g/mL，1+1；過(guò)氧化氫，密度約為1.10 g/mL；氬氣（＞ 99.99%）。所用試劑為分析純，試驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 儀器工作條件

Cu 元素的分析譜線為327.393 或324.752 nm，Mg 元素的分析譜線為285.213 nm。冷卻氣流量為15 L/min，輔助氣流量為0.2 L/min，霧化氣流量為0.8 L/min，射頻功率為1.2 kW，樣品流速為1.5 mL/min，觀測(cè)高度為15 mm[10]。

1.3 試驗(yàn)方法

稱取100.0 mg（精確到0.1 mg）的導(dǎo)管焊縫原位打磨的粉末于15 mL 錐形瓶中。在錐形瓶中加入HCl（1+1）20 mL，滴加幾滴過(guò)氧化氫低溫溶解，溶液冷卻后定容于100 mL 容量瓶中，采用儀器工作條件測(cè)量溶液中的化學(xué)成分Cu 或Mg 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

1）Cu 標(biāo)準(zhǔn)溶液A（1.00 g/L）：準(zhǔn)確稱取1.000 0 g純銅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.95%）于250 mL 燒杯中，加入40 mL 硝酸（1+1），低溫加熱溶解，冷卻后移入1 L容量瓶中，補(bǔ)加30 mL 濃硝酸，用水稀釋至刻度，混勻。

2）Cu 標(biāo)準(zhǔn)溶液B（0.10 g/L）：移取25.00 mL 銅標(biāo)準(zhǔn)溶液A，置于250 mL 容量瓶中，加入15 mL 濃硝酸，用水稀釋至刻度，混勻。

3）Mg 標(biāo)準(zhǔn)溶液C（1.00 g/L）：準(zhǔn)確稱取1.000 0 g純鎂（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.95%）于250 mL 燒杯中，加入10 mL 水，緩慢加入40 mL 鹽酸（1+1），劇烈反應(yīng)后，微熱至完全溶解，冷卻后移入1 L 容量瓶中，補(bǔ)加30 mL 濃鹽酸，用水稀釋至刻度，混勻。

4）高標(biāo)溶液：根據(jù)樣品中Al 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍，稱取適量鋁屑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.98%）（使Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和與試樣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致），置于150 mL 燒杯中，按1.3 節(jié)的溶解方法進(jìn)行溶解，溶解完全后移入200 mL 容量瓶中，移取4 mL Cu 標(biāo)準(zhǔn)溶液B 和8 mL Mg 標(biāo)準(zhǔn)溶液C，用水稀釋至刻度，混勻。

5）低標(biāo)溶液：根據(jù)樣品中Al 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍，稱取適量鋁屑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.98%）（使Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和與試樣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致），置于150 mL 燒杯中，按1.3 節(jié)的溶解方法進(jìn)行溶解，溶解完全后移入200 mL 容量瓶中，移取1 mLCu 標(biāo)準(zhǔn)溶液B 和4 mLMg 標(biāo)準(zhǔn)溶液C，用水稀釋至刻度，混勻。

6）空白溶液：根據(jù)樣品中Al 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍，稱取適量鋁屑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.98%）（使Al 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和與試樣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致），置于150 mL 燒杯中，按1.3 節(jié)的溶解方法進(jìn)行溶解，溶解完全后移入200 mL 容量瓶中。

校準(zhǔn)曲線溶液的制備：實(shí)驗(yàn)選用高標(biāo)溶液、低標(biāo)溶液和空白溶液作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)來(lái)建立校準(zhǔn)曲線，校準(zhǔn)曲線線性≥0.999 9。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫原位打磨工藝的確定

按照HB/Z 119—2011 中焊縫尺寸的規(guī)定，對(duì)于管材壁厚為0.5～1.0 mm 的對(duì)接焊，2、3 級(jí)焊縫背面余高要求不大于1.5 mm。當(dāng)背面余高大于1.5 mm 時(shí)，允許用機(jī)械加工方法修理，使其平滑過(guò)渡，符合焊接質(zhì)量要求。另外，同樣根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中焊接質(zhì)量檢驗(yàn)的要求，對(duì)于焊縫凹陷屬于缺陷類，當(dāng)母材壁厚δ 為0.5～5.0 mm 時(shí)，對(duì)2、3 級(jí)焊縫分別允許有最大深度0.1δ（不超過(guò)焊縫長(zhǎng)度的15%）、0.2δ（不超過(guò)焊縫長(zhǎng)度的20%）的凹陷。在實(shí)際生產(chǎn)中，工藝要求焊縫余高應(yīng)至少與母材齊平，不能凹陷，同時(shí)滿足上述余高。

根據(jù)焊接工藝的要求，在保證零件質(zhì)量，不損傷導(dǎo)管管壁的前提下，制定試驗(yàn)件導(dǎo)管內(nèi)壁焊縫處原位打磨工藝為：

1）打磨每根焊縫前，應(yīng)對(duì)打磨工具進(jìn)行清潔，對(duì)導(dǎo)管內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，可通過(guò)膠帶將塑料薄膜粘貼在導(dǎo)管內(nèi)壁便于收集焊縫金屬屑。為防止薄膜碎屑掉入導(dǎo)管，薄膜粘貼前需確認(rèn)大小，并與取出后的大小進(jìn)行對(duì)比，確保無(wú)碎屑掉入導(dǎo)管。

2）打磨導(dǎo)管時(shí)，應(yīng)盡可能覆蓋整條內(nèi)焊縫，提高焊縫打磨的均勻性，在保證打磨后的剩余焊縫高度應(yīng)不小于0.5 mm 的前提下，收集足量焊縫金屬屑（約0.3 g）。打磨時(shí)應(yīng)注意不對(duì)導(dǎo)管基材造成損傷。將每條焊縫打磨下來(lái)的粉末逐個(gè)用塑料袋包裝，以避免外來(lái)污染物的混入。

2.2 模擬焊縫錯(cuò)混料試驗(yàn)件方案設(shè)計(jì)

按照一般零件焊接的工藝，焊接過(guò)程包括“修配→定位焊→校正→滿焊→校正”等步驟。根據(jù)母材的直徑，定位焊時(shí)一般會(huì)在管材上熔焊3～4 個(gè)定位點(diǎn)（一般為直徑6～7 mm 的定位點(diǎn)）（圖1），然后對(duì)組合零件進(jìn)行校正，再對(duì)焊縫處進(jìn)行滿焊（圖2）。滿焊時(shí)，定位點(diǎn)會(huì)再次融化，但基本保持原位置。若5A03 焊絲和2A10 鋁絲混放，而操作工人不知情的情況下，會(huì)出現(xiàn)定位焊和焊縫很可能不會(huì)使用同一根焊絲的情況，造成多種錯(cuò)混料類型。據(jù)此，針對(duì)防銹鋁5A02 導(dǎo)管焊接情況，模擬設(shè)計(jì)幾種焊縫混料情況（表1）。

圖1 2A10 普通定位點(diǎn)Fig.1 2A0 welding orientation point

圖2 導(dǎo)管對(duì)接焊成品Fig.2 Tube butt welding product

表1 焊管試驗(yàn)件清單Table 1 5A02 welding tube test samples list

針對(duì)上述試驗(yàn)件的焊縫采用焊縫原位打磨工藝進(jìn)行打磨，收集粉末，進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。

2.3 焊縫化學(xué)成分分析

1）錯(cuò)混料特征元素確定。

實(shí)際在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，正常情況應(yīng)是焊接5A02 導(dǎo)管選用5A03 焊絲，但操作工人在不知情的情況下，可能出現(xiàn)錯(cuò)將2A10 鋁絲代替5A03 焊絲焊接5A02 導(dǎo)管的錯(cuò)混料情況。在高溫的作用下，焊縫處材料為母材和焊料混合在一起的混合物，成分復(fù)雜。

參考GB/T 3190《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》[11]，5A03、2A10 材料化學(xué)成分差異較大的有Cu、Mg元素，特別是Cu 元素。按照材料標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于母材5A02 和正確的焊絲5A03 中Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都要求小于0.10%，而用錯(cuò)的2A10 鋁絲的Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為3.9%～4.5%。根據(jù)焊接工藝和模擬試驗(yàn)件可知，焊縫處混合物的化學(xué)成分會(huì)隨著錯(cuò)混料的不同情況發(fā)生變化。本試驗(yàn)需要研究出能夠明顯代表錯(cuò)混料發(fā)生的特征元素。

初步設(shè)計(jì)對(duì)焊縫處打磨粉末中的Cu、Mg 元素進(jìn)行分析。

對(duì)表1 中管徑為φ50 mm 的焊管試驗(yàn)件進(jìn)行焊縫原位打磨，收集焊縫處的粉末，溶樣后測(cè)定溶液中的Cu、Mg 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 φ50 mm 焊管試驗(yàn)件原位打磨粉末的化學(xué)成分試驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 2 Results of chemical composition analysis for φ50 mm tube welding seam grinding in situ (mass fraction /%)

對(duì)比分析表2 中焊縫粉末的Cu、Mg 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與GB/T 3190[11]標(biāo)準(zhǔn)要求，可以得出：1）焊縫粉末的Cu、Mg 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原材料是不一致，如定位焊和滿焊焊料全部為5A03 時(shí)，焊縫的Mg 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（3.1%）是介于5A03（Mg 3.2%～3.8%）和5A02（2.0%～2.8%）材料牌號(hào)的指標(biāo)之間，說(shuō)明在高溫的作用下，焊絲與母材融化在一起，形成新的焊縫，不能簡(jiǎn)單用原材料Mg 的判斷指標(biāo)來(lái)判斷焊縫處有無(wú)混料。2）因2A10 材料的Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（3.9%～4.5%）與5A03（Cu≤0.10%）、5A02（Cu≤0.10%）材料的Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別較大，隨著表2 中焊管試驗(yàn)件2A10 定位點(diǎn)錯(cuò)誤數(shù)量的增加，焊縫粉末Cu、Mg 元素的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律，其中Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著2A10 定位點(diǎn)增加而增加。當(dāng)焊縫處原位打磨取粉的Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.10%，即超過(guò)5A03、5A02 材料標(biāo)準(zhǔn)中要求的Cu≤0.10%時(shí)，可以判斷有混料情況發(fā)生。但是，對(duì)于定位點(diǎn)錯(cuò)用成2A10，特別是一個(gè)定位點(diǎn)用錯(cuò)情況下的Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)判斷標(biāo)準(zhǔn)，需要深入研究。

后續(xù)選定Cu 元素作為表征焊縫處有無(wú)混料的特征元素，通過(guò)定量確定焊縫粉末中Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少來(lái)判斷在一條導(dǎo)管焊縫中是否混入2A10 鋁絲以及混入鋁絲的數(shù)量。

2）5A03 焊絲中混入2A10 鋁絲數(shù)量的確定。

通過(guò)以上研究已確定Cu 元素可以作為特征元素來(lái)表征焊縫處有無(wú)混料，但是對(duì)于實(shí)際焊接時(shí)，可能是1～3 個(gè)定位點(diǎn)混入2A10，也可能是焊接時(shí)全部使用2A10。對(duì)此需要針對(duì)不同的導(dǎo)管管徑，不同的錯(cuò)混料情況，準(zhǔn)確測(cè)定焊縫原位打磨粉末中的Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，建立Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷混入2A10 材料的多少。

模擬對(duì)接焊時(shí)的5 種混料情況，設(shè)計(jì)φ42～60 mm 的不同直徑規(guī)格鋁管，進(jìn)行焊縫原位打磨，收集焊縫粉末，溶樣后測(cè)定溶液中的Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3 可以看出：1）模擬同樣混料情況下，隨著管徑增大，Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈下降的趨勢(shì)；2）在同樣管徑下，2A10 混料情況越多，粉末中Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步增加；3）對(duì)于φ42～60 mm 的鋁管，定位點(diǎn)及滿焊均為5A03 的導(dǎo)管，以及1 個(gè)定位點(diǎn)錯(cuò)用2A10 的導(dǎo)管的Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有明顯區(qū)別，當(dāng)焊縫粉末中Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.06%，即可判斷焊接時(shí)定位點(diǎn)材料發(fā)生錯(cuò)誤。采用ICP-AES 光譜法分析焊縫粉末化學(xué)成分方法可以區(qū)分出最少一個(gè)定位點(diǎn)混料的情況。4）定位點(diǎn)錯(cuò)用成2A10 時(shí)，焊縫粉末中Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨錯(cuò)用材料的定位點(diǎn)數(shù)量的增加成倍數(shù)增長(zhǎng)，趨勢(shì)明顯，符合規(guī)律。

表3 不同規(guī)格焊料的鋁管Cu 元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 3 Results of Cu content in aluminum tubes with different solder specifications (mass fraction /%)

根據(jù)研究，對(duì)于φ42～60 mm 的鋁管焊縫處采用原位打磨的工藝打磨粉末：當(dāng)粉末中Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.06%，即可判斷焊接時(shí)至少有1 個(gè)定位點(diǎn)錯(cuò)用成2A10 鋁絲；隨著Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，錯(cuò)混料情況愈發(fā)嚴(yán)重，當(dāng)Cu 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%，判定焊接時(shí)焊絲全錯(cuò)用為2A10。

2.4 結(jié)論

1）隨著管徑增大，粉末中Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈下降的趨勢(shì)。

2）在同樣管徑下，2A10 混料情況越多，粉末中Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是逐步增加的。

3）對(duì)于φ42～60 mm 的鋁管，當(dāng)焊縫粉末中Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.06%，即可判斷焊接時(shí)至少有一個(gè)定位點(diǎn)混料發(fā)生。當(dāng)Cu 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%，可判定焊接時(shí)焊絲全錯(cuò)用成2A10。