铝合金焊接工艺评定-测博士

铝合金焊接工艺评定（Welding Procedure Qualification，简称 WPQ）是验证特定焊接工艺能否生产出符合设计要求（力学性能、无损检测等） 的铝合金焊接接头的核心技术流程。由于铝合金具有易氧化、热导率高（约为钢的 3 倍）、线膨胀系数大（约为钢的 2 倍）、热影响区易软化等特性，其工艺评定需重点关注 “氧化控制、热输入调控、变形与裂纹预防”，与钢的焊接工艺评定存在显著差异。

一、核心概念与目的

在展开细节前，需明确两个关键文件的关系，避免混淆：

评定核心目的

1. 验证焊接工艺的可行性：确保焊接接头无超标缺陷（气孔、夹渣、裂纹等）。

2. 保证接头性能达标：满足产品设计要求的力学性能（抗拉强度、屈服强度、弯曲性能、冲击韧性等）、耐腐蚀性能（如海洋环境用铝合金）。

3. 规范生产过程：为后续批量生产提供可重复、稳定的 “操作标准（WPS）”。

二、铝合金焊接工艺评定的核心标准

不同行业（如建筑、航空航天、承压设备）需遵循对应的评定标准，核心标准如下：

三、关键评定要素（需严格控制的变量）

铝合金焊接的敏感性决定了 “关键要素” 的微小变化可能导致评定失败，需重点关注以下 6 类要素：

1. 母材要素（不可随意变更）

铝合金的牌号、热处理状态直接决定焊接性，是评定的 “基础变量”，需明确记录：

• 牌号：如 5 系（5083、5A06，可焊性好）、6 系（6061、6082，需控制热输入）、7 系（7075，易产生热裂纹，评定难度高）。

• 状态：如 H112（热轧态，无时效强化）、T6（固溶 + 人工时效，焊后热影响区易软化）、O 态（退火态，塑性好但强度低）。

• 厚度：试件厚度需覆盖实际产品厚度（具体覆盖范围见标准，如 GB/T 25774 中，t≤12mm 时试件厚度 = 产品厚度；t>12mm 时覆盖 t/2~2t）。

2. 填充材料要素

填充材料需与母材匹配，避免产生裂纹或性能不达标：

• 焊丝牌号：如 5 系母材（5083）配ER5356（抗裂性好）；6 系母材（6061）配ER4043（流动性好）或ER5356（强度更高）；7 系母材（7075）配ER5183（低镁焊丝，减少热裂纹）。

• 焊丝状态：需明确焊丝的供货状态（如 H132，冷作硬化态），并要求焊丝无氧化、无油污（焊接前需烘干，去除表面吸附的水分，预防氢致气孔）。

• 保护气体：

• 主流为纯氩（Ar，纯度≥99.99%）：适用于 TIG 焊（钨极惰性气体保护焊）、MIG 焊（熔化极惰性气体保护焊），成本低、易获取。

• 氩氦混合气体（如 Ar+He 70%+30%）：适用于厚板（≥15mm）或高导热铝合金，可提高熔深、减少焊接层数。

3. 焊接方法（核心工艺选择）

铝合金常用焊接方法及评定关注点如下：

4. 热输入相关参数（决定接头性能）

铝合金的热影响区（HAZ）软化是核心问题，热输入过大会导致 HAZ 强度骤降（如 6061-T6 焊后 HAZ 硬度可能从 100HB 降至 60HB），需严格控制：

• 热输入计算公式：\(Q = \frac{60 \times I \times U}{v}\)（Q：热输入，kJ/cm；I：电流，A；U：电压，V；v：焊接速度，cm/min）。

• 关键参数范围（以 6061-T6、厚度 8mm、TIG 焊为例）：

• 焊接电流：160~200A（电流过大易烧穿，过小易未熔合）；

• 焊接电压：12~14V；

• 焊接速度：150~200mm/min（速度过慢热输入大，过快易产生未焊透）；

• 预热温度：通常 50~150℃（厚板或高镁铝合金可适当提高，防止冷裂纹，但不超过 200℃，避免母材软化）；

• 后热处理：如焊后去应力退火（120~180℃，保温 1~2h），减少焊接残余应力，预防变形。

5. 坡口与装配要素

铝合金坡口需为 “机械加工成型”（避免气割，防止氧化层过厚），常见坡口形式及要求：

• 薄板（≤6mm）：I 形坡口（无钝边，间隙 0~0.5mm）；

• 中厚板（>6mm）：V 形、X 形坡口（钝边 1~2mm，坡口角度 60°~70°，便于熔透）；

• 装配要求：错边量≤10% 板厚，间隙均匀（避免局部间隙过大导致烧穿）。

6. 焊前清理（预防缺陷的关键）

铝合金表面的氧化膜（Al₂O₃，熔点 2050℃，远高于铝的熔点 660℃） 是焊接气孔、夹渣的主要来源，必须彻底清理：

• 机械清理：用不锈钢丝刷（禁止用钢丝刷，避免铁污染）打磨坡口及两侧 20~30mm 范围，直至露出金属光泽；

• 化学清理：用 5%~10% 的 NaOH 溶液浸泡 1~2min（去除氧化膜），再用 10% 的 HNO₃溶液中和，最后用清水冲洗并烘干（适用于批量生产）；

• 清理后要求：4h 内完成焊接，避免二次氧化。

四、铝合金焊接工艺评定流程（7 步闭环）

评定需严格遵循 “策划→试验→检测→批准” 的闭环流程，具体步骤如下：

1. 确定评定需求

根据产品设计文件（如图纸、标准）明确：

• 母材牌号、状态、厚度；

• 接头形式（对接、角接、T 接）；

• 性能要求（抗拉强度、弯曲角度、冲击温度等）；

• 适用标准（如 GB/T 25774、AWS D1.2）。

2. 编制预焊接工艺规程（pWPS）

将上述评定要素（母材、填充料、焊接参数等）整理为正式文件，需明确 “关键变量”（如电流、电压、热输入）和 “非关键变量”（如焊枪角度，允许小幅调整）。

3. 试件制备

• 试件尺寸：对接试件长度≥300mm，宽度≥150mm（满足力学性能取样要求）；

• 试件数量：至少 2 件（1 件用于无损检测 + 力学性能试验，1 件备用）；

• 标识：在试件上标注母材牌号、厚度、pWPS 编号、焊接日期。

4. 焊接试验

• 由持证焊工按照 pWPS 焊接试件，实时记录 “实际焊接参数”（如电流波动范围、气体流量变化），形成《焊接参数记录表》；

• 焊接过程中观察熔池状态，避免出现未熔合、烧穿、裂纹等缺陷。

5. 无损检测（NDT）

焊接完成 24h 后（待残余应力释放），先进行无损检测，合格后方可进行力学性能试验：

• 内部缺陷检测：优先采用射线检测（RT） 或超声检测（UT），按 GB/T 3323 或 AWS D1.2 评定，要求缺陷等级≥Ⅱ 级；

• 表面缺陷检测：采用渗透检测（PT），检查坡口边缘、焊道表面，无裂纹、未熔合等缺陷。

6. 力学性能试验（核心验证环节）

根据标准要求从合格试件上取样，进行以下试验（以 GB/T 25774 为例）：

7. 编制 PQR 并批准 WPS

• 若所有检测合格，将 “试件信息、焊接参数、检测结果” 整理为《焊接工艺评定报告（PQR）》，由技术负责人审批；

• 以 PQR 为依据，制定正式焊接工艺规程（WPS），明确批量生产的操作细节（如焊前清理步骤、参数调整范围），用于指导现场焊接。

五、常见问题与对策

铝合金焊接工艺评定失败多与 “氧化控制、热输入不当” 相关，常见问题及解决方法如下：

六、评定覆盖范围（避免重复评定）

为降低成本，合格的 PQR 可覆盖一定范围的 “相似工况”，需按标准明确覆盖规则（以 GB/T 25774 为例）：

1. 母材厚度覆盖：

• 当试件厚度 t≤12mm 时，覆盖产品厚度范围：t（试件）；

• 当 t>12mm 时，覆盖产品厚度范围：t/2 ~ 2t。

2. 焊接位置覆盖：

• 平焊试件可覆盖 “平焊、横焊、立焊（向上）”；

• 立焊试件仅覆盖 “立焊（向上）”。

3. 填充材料覆盖：

• 同一组别焊丝可互相覆盖（如 ER5356 可覆盖 ER5183，需确认标准分组）。