(1. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨 150001； 2. 中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510336；3. 河北科技大学 材料科学与工程学院,石家庄 050018)
摘 要：采用TIG深熔焊工艺，对1561高镁铝合金进行了焊接，并对接头的显微组织和力学性能进行系统分析. 结果表明,焊缝中无气孔和裂纹缺陷；打底焊道中部存在“∧”字形粗晶区，其上下部晶粒尺寸细小；双层焊经历第二道的盖面焊后，打底焊道晶粒明显长大，熔合区晶粒晶界发生重熔，焊缝软化现象仍有发生；焊缝和热影响区的显微硬度低于母材，但热影响区并没有表现出明显的软化现象. 接头抗拉强度可达314 MPa，表明深熔焊工艺适合于1561高镁铝合金的焊接.
关键词：焊接接头； 深熔焊； 显微组织； 组织非均匀性
铝镁合金具有比重小、比强度大、耐海水腐蚀性好、低温性能好等优点. 用其作船体材料可以有效地减轻船舶的重量，提高稳性和航速，增强舰艇的技术战术性能. 对于高速滑行艇、水翼艇、登陆艇、小水面船及一些特殊用途船，选用铝合金尤为适宜. 1561铝合金因具有强度高、耐腐蚀性好等优点，逐渐被应用于铝合金特种船舶中[1].
1561铝合金是镁含量很高的铝合金，焊接过程中极易产生气孔与裂纹等缺陷. 在船体建造过程中如何保证焊缝不出现这些缺陷，是保证生产质量的关键问题. 普通的TIG、MIG焊接方式，因为焊缝背面有强制成型的衬垫，加快了焊缝的凝固过程，更不利于气孔、夹杂等缺陷的充分排出. 借鉴穿孔焊接有利于熔池中气孔排出的特点，文中团队首次提出铝合金TIG深熔焊工艺，该焊接方法焊接时背面不设置强制成型的衬垫，焊接电流较普通TIG电流大，依靠钨极的电弧热量使母材熔化而形成焊接熔池，熔池在电弧吹力及重力作用下，流到焊件背面，经冷却形成凸出的焊缝，冷却后将第一层焊道(打底焊)上表面进行打磨处理，清除焊缝上表面浮出的氧化膜、夹杂等以及未来得及逸出的气孔，然后通过第二层焊道的填丝盖面焊完成焊接，从而形成完整焊缝的一种工艺方法，最后根据船级社工艺要求，打磨出需要的焊缝形貌. 文中分别对TIG深熔焊工艺的焊缝宏观成型、微观组织、硬度、弯曲、抗拉性能进行了测试. 从结果表明，TIG深熔焊工艺有利于气孔的充分排除，接头性能满足船级社标准要求，证明了TIG深熔焊工艺是一种适合于高镁铝合金船体结构焊接的新工艺.
试验母材规格为1 000 mm×200 mm×4 mm的铝板，采用无坡口、无钝边形式，装配间隙1～2 mm，如图1所示，然后将其固定在专用的双模板胎架上，使得待焊焊缝处于图中双模板中部，保证深熔焊缝的形成. 1561合金含镁量高，氧化能力强，铝材表面有Al2O3和MgO氧化膜，MgO氧化膜不致密，极易吸收水分而导致气孔产生. 故焊前将铝板及焊丝表面上的油污、氧化膜等进行化学清理干净，并用丙酮溶液进行擦拭，保证待焊部位没有残留油污. 焊丝选用1561高镁焊丝，直径为φ3 mm. 1561高强铝合金及焊丝的实际化学成分如表1所示，Mg含量很高，其次为Mn、Fe等元素.
图1 深熔焊试验过程
Fig.1 Process of deep-penetration welding
表1 1561铝合金母材及焊丝的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of 1561 aluminum alloy and welding wire
MgMnFeSiZnZrCuTiAl母材6．200．850．40．350．120．0170．012-余量焊丝5．650．870．10．050．020．1100．0200．04余量
试验中采用福尼斯TPS4000焊机，由一名焊接技师进行施焊. 工件接负，保护气为99.995%纯氩气体. 采用大电流TIG深熔填丝焊工艺，具体如图1所示，由1名焊工手持一把TIG焊枪进行施焊，单层焊只焊一道，焊道不填丝或少填丝，双层焊焊两道，第一层打底焊不填丝或少填丝，第二层盖面焊道填丝. 焊接工艺参数如表2所示.
表2 焊接工艺参数
Table 2 Welding process parameters
焊接方法焊接电流I/A填丝焊接速度v/(mm·s-1)氩气流量q/(L·min-1)打底焊道135无或少量1．0～1．225盖面焊道130多量1．0～1．225
采用蔡司显微镜观察了焊缝区、熔合区、热影响区、母材的微观组织；采用TMVS-1维氏硬度计测量了接头硬度，载荷力4.9 N，加载时间10 s，间距1 mm.
2.1 宏观成形结果与分析
焊后截取两块板焊缝横截面，焊缝横截面宏观图如图2所示，图2a为单层焊焊接接头横截面宏观图，从图中可以看出，第一层打底焊后，焊缝背面凸出较大，可达5 mm左右，有利于熔池中气孔、夹杂等缺陷充分排出. 经过第一层打底焊后，焊缝正面可能会出现较大下塌，需要第二层的盖面填丝焊来增加焊缝的承载截面积，如图2b所示，增加盖面焊可提高焊缝的承载能力，最后根据船舶行业焊接规范规定的焊缝尺寸，将背面焊缝打磨出需要的形貌.
图2 深熔焊焊缝宏观成形
Fig.2 Macro forming of deep-penetration welding joints
2.2 微观组织结果与分析
对TIG深熔焊缝进行X射线拍片检测，发现气孔率低、夹杂等缺陷少，达到船级社Ⅰ级焊缝标准. 对焊接接头的横截面进行取样观察，将多张显微组织照片拼接后获得整个焊接接头的显微组织，如图3所示，图3a为单层焊焊接接头显微组织，图3b为双层焊焊接接头显微组织，其中虚线为打底焊道与盖面焊道的交界处，焊缝中没有气孔、夹杂等缺陷. 图3b可以将焊缝组织分成4个区域，分别为中心“∧”字形粗晶区，粗晶区外侧的两个细晶区，熔合线附近部分熔化区的两个细晶区，“∧”字形粗晶区上方和下方所包围的细晶区. 粗晶区尺寸高达150 μm，细晶区尺寸仅为30 μm，表现出严重的组织非均匀性[4].
图3 深熔焊焊缝显微组织
Fig.3 Microstructure of deep-penetration welding joints
图4为单层焊与双层焊“∧”字形粗晶区同一位置上的微观组织，图4a为单层焊的粗晶区，晶粒尺寸为100 μm，这是因为电弧中心部分温度较高，是热量散发中心，在熔池中通过对流与热传导方式传递到熔池周围，焊缝中心部位的冷却速度较小，因此，产生的晶粒尺寸较大[5]；图4b为双层焊同一位置上的粗晶区，晶粒尺寸可达250 μm，可以看到，打底焊部分晶粒受盖面焊道热作用长大.
图4 “∧”字形粗晶区显微组织
Fig.4 Microstructure of coarse grain zone with shape of ∧
图5为“∧”字形粗晶区下方细晶区同一位置上单层焊与双层焊的显微观组织比较，图5a为单层焊焊后的细晶区，图5b为双层焊焊后同一位置上的细晶区，同样可以看到，打底焊部分受盖面焊道热作用长大明显.
图6为双层焊焊后打底焊道的熔合区微观组织放大图，其右侧为母材，左侧为焊缝，可以看到，晶粒晶界发生明显重熔，而且粗晶区晶粒进一步长大.
2.3 硬度曲线结果及分析
图7为深熔焊接头硬度曲线的对比，为了对比方便，两次硬度测试均取在试板中间的打底焊道部位. 可以看到，单层焊焊后的焊缝硬度高于双层焊焊后的打底焊焊缝硬度，也就是说打底焊经历第二次焊接热循环后，硬度仍有降低，软化现象仍有发生. 从图7可以看到，焊缝硬度低于热影响区和母材，热影响区硬度与母材硬度接近，这是由于采用的焊丝与母材成分接近，因此，二者硬度值差异较小. 焊缝硬度比母材低可能是因为焊缝区是由熔池中熔融的液态金属快速结晶形成，冷却过程迅速，第二相粒子来不及析出及长大，因此，失去了母材的强化效果，所以硬度比母材低[6,7]. 从图中可以看到，1561铝合金TIG深熔焊热影响区的软化现象不明显.
图5 细晶区显微组织
Fig.5 Microstructure of grain zone
图6 熔合区显微组织
Fig.6 Microstructure of fusion zone
图7 深熔焊接头硬度曲线
Fig.7 Hardness curve of deep-penetration welding joints
2.4 焊接接头的力学性能
根据标准(中国船级社CCS材料与焊接规范)做拉伸力学性能试验，试样正弯与背弯时，受拉面上没有出现长度超过3 mm的裂纹及其它缺陷. 因此，正弯与背弯试验合格，满足船级社检验标准，表明该接头塑性良好. 焊接接头的抗拉强度为314 MPa，母材抗拉强度350 MPa，焊接接头强度系数约为0.9. 因此，TIG深熔焊接工艺适合于高镁铝质船舶的焊接.
(1) 采用TIG深熔焊工艺进行1561高镁铝合金焊接，可明显降低焊缝的气孔、夹杂等缺陷；经X射线拍片检查和拉伸与弯曲力学性能的检测结果表明，该焊缝满足船级社Ⅰ级焊缝标准，证明该工艺适合于1561高镁铝合金船舶的焊接.
(2) 对焊缝进行金相分析发现，接头组织不均匀性明显：单层焊焊道中部晶粒尺寸粗大，焊道存在着“∧”字形粗晶区，其上下部晶粒尺寸细小；双层焊盖面焊道与打底焊道界线明显，打底焊道晶粒明显长大，熔合区晶界发生重熔，打底焊道“∧”字形粗晶区晶粒进一步长大.
(3) 经历盖面焊焊接热循环后，接头软化现象仍有发生.
(4) 力学性能结果表明，正弯背弯均无3 mm以上的裂纹，焊接接头强度系数约为母材的0.9，满足船级社检验标准.
参考文献：
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收稿日期：2015-10-15
基金项目：中国博士后科学基金资项目(2016M590821);国家国际科技合作资助项目(2013DFR7016);国防基础科研计划资助(A0720133002);黄埔区重大专项资助项目(201518)
中图分类号：TG 406
文献标识码：： A
文章编号：： 0253-360X(2016)12-0029-04
作者简介：闫德俊，男，1978年出生，博士，高级工程师. 主要从事船舶与海洋工程焊接技术研究工作. 发表论文20余篇. 申请国家专利13项，获得授权7项. Email： yandejun_2003@163.com
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