鋁合金焊接缺陷的分析與研究

鋁合金焊接缺陷的分析與研究

0鋁合金焊接性能成為國(guó)際研究熱點(diǎn)之一作為工業(yè)中廣泛使用的金屬結(jié)構(gòu)材料，鋁合金已廣泛應(yīng)用于航空、航空航天、汽車(chē)、機(jī)械工程、船舶和化學(xué)工業(yè)中。隨著科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,全球?qū)︿X合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多,對(duì)鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用在促進(jìn)鋁合金焊接技術(shù)發(fā)展的同時(shí),焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域,因此鋁合金的可靠焊接技術(shù)正成為全球研究的熱點(diǎn)之一。某單位在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí),一個(gè)2A14鋁合金“工字形”法蘭焊接處發(fā)生開(kāi)裂,造成該產(chǎn)品第一次液壓檢驗(yàn)失敗。文中對(duì)該法蘭裂紋情況、誘發(fā)原因及補(bǔ)焊過(guò)程進(jìn)行分析總結(jié),為相關(guān)產(chǎn)品避免類(lèi)似問(wèn)題積累經(jīng)驗(yàn)。1裂紋誘發(fā)原因分析圖1(a)示出該工字形法蘭在整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的安置原理圖,發(fā)生開(kāi)裂的部位位于法蘭上。對(duì)法蘭裂紋觀察發(fā)現(xiàn),該裂紋為典型的滲透裂紋,如圖1(b)中所示。該裂紋沿焊縫金屬與母材間的熔合線擴(kuò)展并滲透整個(gè)接頭的同時(shí),也在橫向上沿著接頭的熱影響區(qū)擴(kuò)展,如圖1(b)中的A向裂紋延展形貌。在對(duì)2A14鋁合金焊接過(guò)程中,接頭中產(chǎn)生低熔點(diǎn)的共晶體呈薄膜狀展開(kāi)于晶界上,促使晶體分離、增加合金的熱裂傾向;同時(shí)鋁合金線脹系數(shù)大,加劇焊縫凝固過(guò)程中焊縫的裂紋傾向。因此,2A14鋁合金在焊接金屬和近縫區(qū)的裂紋主要為熱裂紋。為分析裂紋誘發(fā)原因,對(duì)該法蘭原始X射線探傷底片進(jìn)行了仔細(xì)分析,通過(guò)復(fù)查發(fā)現(xiàn)在開(kāi)裂部位存在微觀缺陷(微小尖狀氣孔和夾渣),這些尖狀部位正是微觀裂紋源,在初次排除時(shí)被忽略。故在進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí),該法蘭接頭承受附加的外載荷,以及極不對(duì)稱(chēng)分布的焊接應(yīng)力,接頭中存在的微觀缺陷部位因強(qiáng)度過(guò)低而失效,從而導(dǎo)致缺陷源發(fā)生擴(kuò)展、延伸,直至發(fā)生開(kāi)裂。同時(shí),對(duì)開(kāi)裂焊縫熱影響區(qū)取樣分析表明,由于過(guò)度焊接熱輸入,熱影響區(qū)組織中聚集、生成了一定量的第二相顆粒,這些顆粒的物理性能與基體鋁合金存在很大差異。在外加應(yīng)力作用下,基體材料與第二相顆粒極易發(fā)生脫離,形成微孔洞,最終造成了接頭性能的劣化。因此,在焊接缺陷處產(chǎn)生的初始裂紋,一旦經(jīng)過(guò)延伸、擴(kuò)展進(jìn)入性能弱化的熱影響區(qū),就在外加應(yīng)力的作用下迅速發(fā)生大尺寸擴(kuò)展。綜上,焊接過(guò)程產(chǎn)生的微觀缺陷及接頭熱影響組織弱化是開(kāi)裂的主要原因,液壓負(fù)載產(chǎn)生的外加應(yīng)力是誘發(fā)原因,兩者共同作用于工字形法蘭,最終導(dǎo)致法蘭大尺寸開(kāi)裂失效。2分析字形語(yǔ)法中裂紋的起源2.12試樣材料的焊接性2A14鋁合金因其較好的綜合性能,被廣泛用在航空航天大型儲(chǔ)存容器中,如運(yùn)載火箭的燃料儲(chǔ)箱。表1列出了由某鋁業(yè)供應(yīng)的2A14鋁合金成分。2A14鋁合金是一種熱處理強(qiáng)化合金,其熱處理規(guī)范分為以下4步:首先,加熱到475~490℃,并保溫12~14h后爐冷的均勻化退火熱處理工藝;其次,加熱到350~400℃,保溫30~120min(與材料有效厚度有關(guān))后以30~50℃/h速度隨爐冷至300℃以下再空冷的完全退火工藝;再次,加熱到350~460℃,保溫30~120min(隨材料厚度不同而變化)后空冷的快速退火熱處理工藝;最后,采取495~505℃水冷淬火后自然時(shí)效(室溫)96h。盡管2A14具有很好的綜合性能,但與其他金屬材料相比,其焊接性極差,極大地影響了焊接接頭的服役性能,表2列出了常見(jiàn)金屬間的性能對(duì)比。通過(guò)研究分析認(rèn)為,2A14鋁合金的極差焊接性主要表現(xiàn)在以下方面:(1)氧化性。鋁-氧間化學(xué)活性強(qiáng),一方面生成的Al2O3薄膜會(huì)阻礙熔化金屬之間良好結(jié)合;另一方面Al2O3密度約為鋁的1.4倍,在焊接過(guò)程中來(lái)不及上浮而形成夾渣。此外,Al2O3薄膜容易吸附水分,導(dǎo)致焊縫中形成氣孔。(2)比熱容和熱導(dǎo)率。鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容約比鋼大1倍,在相同的接頭形式下,大量熱量在焊接過(guò)程中被迅速傳導(dǎo)到母材金屬內(nèi)部,故需消耗更多的熱量。(3)熱裂傾向性。鋁及鋁合金的線脹系數(shù)約為23×10-6℃-1,為鋼的2倍左右,凝固時(shí)的體積收縮率達(dá)6.5%。因此,焊接時(shí)具有極大的熱裂傾向性。(4)氣孔敏感性。鋁合金焊縫中只產(chǎn)生氫氣孔。由于鋁和鋁合金的密度小,氣泡在液態(tài)熔池中的上升速度較慢,同時(shí),由于鋁的導(dǎo)熱率大,熔池冷凝快,導(dǎo)致上升的氣泡來(lái)不及逸出而被桎梏在焊縫中成為氣孔。(5)接頭不等強(qiáng)。2A14鋁合金為熱處理強(qiáng)化合金,因此其焊接熱影響區(qū)(HAZ)由于受焊接熱循環(huán)作用而發(fā)生軟化,強(qiáng)度降低,使接頭與母材金屬無(wú)法達(dá)到等強(qiáng)度。研究表明:工業(yè)純鋁及非熱處理強(qiáng)化鋁合金的接頭強(qiáng)度約為母材金屬的75%~100%;而熱處理強(qiáng)化鋁合金的接頭強(qiáng)度下降更為劇烈,僅為母材金屬的50%~60%。(6)焊穿。因熔池表面無(wú)明顯的顏色變化,操作者不容易判斷出母材金屬溫度,常因溫度過(guò)高導(dǎo)致焊縫燒穿。2.2接頭殘余應(yīng)力分析通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐,已經(jīng)積累了一個(gè)相對(duì)比較成熟的2A14+BJ-380A焊絲組合應(yīng)用體系。分析認(rèn)為,此次儲(chǔ)箱上工字形法蘭液壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生開(kāi)裂的間接原因在于焊接過(guò)程中焊接工藝不規(guī)范誘導(dǎo)了此次法蘭開(kāi)裂。(1)焊接順序存在問(wèn)題,致使接頭中存在高值應(yīng)力。分析認(rèn)為,該工字形法蘭焊接結(jié)構(gòu)較為特殊,且整個(gè)法蘭在焊接過(guò)程中采用周邊焊接,導(dǎo)致焊接結(jié)束后在法蘭接頭處產(chǎn)生極大的焊接殘余應(yīng)力。圖2示出正常對(duì)接焊時(shí),接頭殘余應(yīng)力分布情況,可以看出,焊縫接頭處存在拉應(yīng)力,并在焊縫過(guò)渡處存在一定程度的應(yīng)力集中,應(yīng)力幅值為σ,但該應(yīng)力在焊縫左右兩側(cè)過(guò)渡處的幅值大小相等,對(duì)稱(chēng)分布。圖3示出該工字形法蘭裝焊部位殘余應(yīng)力分布。接頭處也為拉應(yīng)力,但不同之處在于,法蘭焊縫過(guò)渡處產(chǎn)生的應(yīng)力幅值σ1和σ2均大于常規(guī)接頭中的殘余應(yīng)力幅值σ;同時(shí),法蘭內(nèi)側(cè)處產(chǎn)生的應(yīng)力σ1的幅值急劇增加,成為該法蘭焊縫上應(yīng)力最為集中的部位之一。故在焊接該法蘭時(shí),必須采取有效措施,盡量減小法蘭應(yīng)力集中。但在該法蘭的焊接過(guò)程中,操作工沒(méi)有采用正確的焊接順序,導(dǎo)致該法蘭應(yīng)力集中更加嚴(yán)重。(2)沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱和焊后緩冷的操作規(guī)程。焊前對(duì)法蘭及附近區(qū)域預(yù)熱,可減小該法蘭焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力。(3)焊接操作不當(dāng),致使焊縫外形不良,存在急劇過(guò)渡的情況。焊縫局部余高超過(guò)4mm,形成焊縫急劇過(guò)渡,導(dǎo)致在過(guò)渡處形成嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中;與此同時(shí),焊接起、收弧位置不當(dāng),在應(yīng)力最大處存在起收、弧接頭。對(duì)開(kāi)裂裂紋進(jìn)行表面檢查發(fā)現(xiàn),證實(shí)在失效部位存在起、收弧接頭。(4)工藝參數(shù)存在問(wèn)題,導(dǎo)致打底焊、蓋面焊及封底焊3層的熔合線沒(méi)有有效地避開(kāi)而發(fā)生了重合。為了確保焊接接頭的可靠性,必須采用合適的焊接工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)3層焊縫的熔合線有效地避開(kāi),經(jīng)試驗(yàn)確定為打底焊焊縫寬度8~10mm,蓋面及封底焊焊縫寬度14mm左右。3更正和連接工字形語(yǔ)法中的裂紋3.1自動(dòng)化焊接設(shè)備由于該工形法蘭裂紋產(chǎn)生位置的局限性,自動(dòng)化焊接設(shè)備難以接近補(bǔ)焊位置。依據(jù)航天產(chǎn)品質(zhì)量控制要求,同時(shí)結(jié)合實(shí)際,補(bǔ)焊方法采用手工鎢極氬弧焊。3.2補(bǔ)焊工藝試驗(yàn)補(bǔ)焊時(shí)的焊接參數(shù)和正常焊接時(shí)基本一致,其中采用單層單道補(bǔ)焊時(shí),和正常焊接參數(shù)完全一樣;而對(duì)于必須采用多層補(bǔ)焊的裂紋處,第1層采用比正常電流小10%~15%的焊接參數(shù),第2層和正常焊接規(guī)范一樣。由于鋁合金在焊接時(shí)極易產(chǎn)生熱裂紋,故在保證熔合良好的基礎(chǔ)上,推薦電流越小越好,這樣在補(bǔ)焊過(guò)程中不易誘發(fā)新的熱裂紋。為選用最優(yōu)補(bǔ)焊參數(shù),依照鋁合金焊接工藝評(píng)定要求,對(duì)焊接參數(shù)重新進(jìn)行工藝試驗(yàn),以確定最優(yōu)的補(bǔ)焊性能。表3列出法蘭各層最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。3.3補(bǔ)焊工藝流程為:補(bǔ)焊成功后補(bǔ)焊效果評(píng)價(jià)根據(jù)行業(yè)鋁合金熔焊技術(shù)條件規(guī)范要求,此法蘭為關(guān)鍵部位控制對(duì)象,且為Ⅰ級(jí)焊縫位置。為達(dá)到一次補(bǔ)焊成功,制定了如圖4所示的補(bǔ)焊流程。與此同時(shí),補(bǔ)焊操作前,工藝及操作人員須對(duì)補(bǔ)焊過(guò)程中的一些重點(diǎn)注意事項(xiàng)進(jìn)行仔細(xì)梳理,具體內(nèi)容如下。3.3.1交流電源及補(bǔ)焊操作要求持有單位焊接上崗證并且具有技師職稱(chēng)的人員進(jìn)行產(chǎn)品補(bǔ)焊操作,且補(bǔ)焊前進(jìn)行模擬過(guò)程演練和工藝試驗(yàn)件的焊接。(2)設(shè)備。使用米勒700氬弧焊機(jī),有預(yù)先供氣,電流衰減和滯后送氣的各種功能,采用交流電源。(3)氣體。選用純度為99.999%的工業(yè)純氬作為焊接保護(hù)氣體,選用流量為12~14L/min。(4)焊絲。采用的焊絲牌號(hào)為BJ-380A,焊前必須對(duì)焊絲進(jìn)行酸洗,且在8h內(nèi)實(shí)施焊接操作,否則須重新對(duì)焊絲進(jìn)行酸洗。(5)工作場(chǎng)地的選擇。本補(bǔ)焊操作在完全封閉的車(chē)間內(nèi)進(jìn)行,濕度小于70%,并且無(wú)穿堂風(fēng)等影響電弧穩(wěn)定的因素存在。(6)清理補(bǔ)焊所需的工裝及輔助工具。3.3.2紅色滲透劑銑削及清洗首先對(duì)裂紋處進(jìn)行必要的磨平和修整,然后對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)合實(shí)際情況,采用RT射線檢測(cè)的方法確定裂紋的位置和大小,并由檢驗(yàn)人員在法蘭上標(biāo)劃裂紋準(zhǔn)確位置及延展路徑。(2)裂紋清除。在所標(biāo)記裂紋路徑及其兩側(cè)(10mm)涂覆滲透劑,然后用R銑刀依照所標(biāo)記裂紋的縱向和橫向延伸路徑進(jìn)行銑削操作,每次的銑削量不超過(guò)2mm;當(dāng)紅色滲透劑首次被去除時(shí),必須再次重復(fù)上述過(guò)程(涂覆滲透劑-銑削),直到確認(rèn)已排除為止(注:1)由于如前所述的裂紋部分已形成了貫穿裂紋,因此為了排除干凈,局部位置被銑穿;2)對(duì)所挖的凹坑進(jìn)行修磨,使之從任何一個(gè)角度都是一個(gè)緩坡?tīng)?作用是防止未熔合等缺陷),并在裂紋端頭多磨去2mm左右(作用是止裂和去掉強(qiáng)度薄弱的部分))。(3)補(bǔ)焊前待焊表面準(zhǔn)備。對(duì)因挖排裂紋形成的凹坑,必須在補(bǔ)焊操作前進(jìn)行嚴(yán)格的清洗。采用長(zhǎng)期使用的不銹鋼刷機(jī)械清洗方法,對(duì)待補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行清洗。清潔好的焊接區(qū)域不能用手摸或是被油污污染,如被污染,必須重復(fù)上述清洗流程方可允許施焊。3.3.3多層補(bǔ)焊注意事項(xiàng)(1)補(bǔ)焊前必須對(duì)工形法蘭整體預(yù)熱,預(yù)熱溫度80~120℃,防止因局部受熱不均而導(dǎo)致焊接過(guò)程中應(yīng)力集中而誘發(fā)新的裂紋。(2)焊接時(shí),由于起弧處最易出現(xiàn)氣孔、起收弧裂紋和夾渣等焊接缺陷,必須予以及時(shí)處理。(3)焊槍的前進(jìn)角度為80°,與工件方向成直角角度。(4)為避免空氣進(jìn)入保護(hù)區(qū),盡量采用短電弧焊接,但須避免鎢極與熔池接觸。(5)焊接收弧時(shí),必須填滿弧坑,防止出現(xiàn)母材過(guò)燒及弧坑裂紋。(6)對(duì)于需采用多層補(bǔ)焊的裂紋處,要將前道焊縫用鋼絲刷清理干凈,去除金屬氧化物或者其他雜質(zhì),防止出現(xiàn)夾渣。(7)嚴(yán)格控制多層焊時(shí)的層間溫度,保持層間溫度在60~100℃,方可進(jìn)行下道焊縫焊接。(8)補(bǔ)焊焊縫中盡量不允許出現(xiàn)接頭,如有需要,則需在接頭處用打磨機(jī)磨成一個(gè)緩坡?tīng)?易于接頭的熔合),并清理干凈,且在緩坡前方20~30mm處起弧(防止不熔合)。如是多層焊,推薦將接頭處磨平,再進(jìn)行下道焊縫施焊。(9)多道補(bǔ)焊時(shí),必須注意控制起收弧的位置,避免起收弧位置重合;與此同時(shí),多層補(bǔ)焊時(shí),必須錯(cuò)開(kāi)各層之間的熔合線。(10)在補(bǔ)焊因裂紋太深而被挖穿的位置時(shí),推薦焊前往孔里送入氬氣,對(duì)反面焊縫進(jìn)行保護(hù),然后使用小電流焊接,以確保良好熔合。(11)焊后必須進(jìn)行緩冷,采用間接傳熱的方式對(duì)已補(bǔ)焊完畢的工形法蘭進(jìn)行整體加熱(不超過(guò)2A14的時(shí)效溫度),推薦時(shí)間3~5min。3.3.4焊接焊接鑒定(1)焊縫的外觀檢察。不允許存在裂紋、氣孔、縮孔、未熔合、咬邊等表面缺陷。與此同時(shí),焊縫應(yīng)該與母材平滑過(guò)渡,不能低于母材,推薦焊縫余高在0.8~2mm。(2)焊縫進(jìn)行X射線檢查。等焊縫冷卻到室溫,