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際研究熱點之一作為工業(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、機械工程、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)用在促進鋁合金焊接技術(shù)發(fā)展的同時,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之一。某單位在對產(chǎn)品進行液壓試驗時,一個2A14鋁合金“工字形”法蘭焊接處發(fā)生開裂,造成該產(chǎn)品第一次液壓檢驗失敗。文中對該法蘭裂紋情況、誘發(fā)原因及補焊過程進行分析總結(jié),為相關(guān)產(chǎn)品避免類似問題積累經(jīng)驗。1裂紋誘發(fā)原因分析圖1(a)示出該工字形法蘭在整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的安置原理圖,發(fā)生開裂的部位位于法蘭上。對法蘭裂紋觀察發(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展并滲透整個接頭的同時,也在橫向上沿著接頭的熱影響區(qū)擴展,如圖1(b)中的A向裂紋延展形貌。在對2A14鋁合金焊接過程中,接頭中產(chǎn)生低熔點的共晶體呈薄膜狀展開于晶界上,促使晶體分離、增加合金的熱裂傾向;同時鋁合金線脹系數(shù)大,加劇焊縫凝固過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,對該法蘭原始X射線探傷底片進行了仔細分析,通過復(fù)查發(fā)現(xiàn)在開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,在初次排除時被忽略。故在進行液壓試驗時,該法蘭接頭承受附加的外載荷,以及極不對稱分布的焊接應(yīng)力,接頭中存在的微觀缺陷部位因強度過低而失效,從而導(dǎo)致缺陷源發(fā)生擴展、延伸,直至發(fā)生開裂。同時,對開裂焊縫熱影響區(qū)取樣分析表明,由于過度焊接熱輸入,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)過延伸、擴展進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)生大尺寸擴展。綜上,焊接過程產(chǎn)生的微觀缺陷及接頭熱影響組織弱化是開裂的主要原因,液壓負載產(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)致法蘭大尺寸開裂失效。2分析字形語法中裂紋的起源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存容器中,如運載火箭的燃料儲箱。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列出了常見金屬間的性能對比。通過研究分析認(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,一方面生成的Al2O3薄膜會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,在焊接過程中來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,凝固時的體積收縮率達6.5%。因此,焊接時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,由于鋁的導(dǎo)熱率大,熔池冷凝快,導(dǎo)致上升的氣泡來不及逸出而被桎梏在焊縫中成為氣孔。(5)接頭不等強。2A14鋁合金為熱處理強化合金,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,強度降低,使接頭與母材金屬無法達到等強度。研究表明:工業(yè)純鋁及非熱處理強化鋁合金的接頭強度約為母材金屬的75%~100%;而熱處理強化鋁合金的接頭強度下降更為劇烈,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,常因溫度過高導(dǎo)致焊縫燒穿。2.2接頭殘余應(yīng)力分析通過長期的生產(chǎn)實踐,已經(jīng)積累了一個相對比較成熟的2A14+BJ-380A焊絲組合應(yīng)用體系。分析認(rèn)為,此次儲箱上工字形法蘭液壓試驗時發(fā)生開裂的間接原因在于焊接過程中焊接工藝不規(guī)范誘導(dǎo)了此次法蘭開裂。(1)焊接順序存在問題,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,且整個法蘭在焊接過程中采用周邊焊接,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示出正常對接焊時,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)過渡處的幅值大小相等,對稱分布。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,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,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程中,操作工沒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。焊前對法蘭及附近區(qū)域預(yù)熱,可減小該法蘭焊接過程中的殘余應(yīng)力。(3)焊接操作不當(dāng),致使焊縫外形不良,存在急劇過渡的情況。焊縫局部余高超過4mm,形成焊縫急劇過渡,導(dǎo)致在過渡處形成嚴(yán)重的局部應(yīng)力集中;與此同時,焊接起、收弧位置不當(dāng),在應(yīng)力最大處存在起收、弧接頭。對開裂裂紋進行表面檢查發(fā)現(xiàn),證實在失效部位存在起、收弧接頭。(4)工藝參數(shù)存在問題,導(dǎo)致打底焊、蓋面焊及封底焊3層的熔合線沒有有效地避開而發(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),實現(xiàn)3層焊縫的熔合線有效地避開,經(jīng)試驗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法中的裂紋3.1自動化焊接設(shè)備由于該工形法蘭裂紋產(chǎn)生位置的局限性,自動化焊接設(shè)備難以接近補焊位置。依據(jù)航天產(chǎn)品質(zhì)量控制要求,同時結(jié)合實際,補焊方法采用手工鎢極氬弧焊。3.2補焊工藝試驗補焊時的焊接參數(shù)和正常焊接時基本一致,其中采用單層單道補焊時,和正常焊接參數(shù)完全一樣;而對于必須采用多層補焊的裂紋處,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,這樣在補焊過程中不易誘發(fā)新的熱裂紋。為選用最優(yōu)補焊參數(shù),依照鋁合金焊接工藝評定要求,對焊接參數(shù)重新進行工藝試驗,以確定最優(yōu)的補焊性能。表3列出法蘭各層最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。3.3補焊工藝流程為:補焊成功后補焊效果評價根據(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)鍵部位控制對象,且為Ⅰ級焊縫位置。為達到一次補焊成功,制定了如圖4所示的補焊流程。與此同時,補焊操作前,工藝及操作人員須對補焊過程中的一些重點注意事項進行仔細梳理,具體內(nèi)容如下。3.3.1交流電源及補焊操作要求持有單位焊接上崗證并且具有技師職稱的人員進行產(chǎn)品補焊操作,且補焊前進行模擬過程演練和工藝試驗件的焊接。(2)設(shè)備。使用米勒700氬弧焊機,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)純氬作為焊接保護氣體,選用流量為12~14L/min。(4)焊絲。采用的焊絲牌號為BJ-380A,焊前必須對焊絲進行酸洗,且在8h內(nèi)實施焊接操作,否則須重新對焊絲進行酸洗。(5)工作場地的選擇。本補焊操作在完全封閉的車間內(nèi)進行,濕度小于70%,并且無穿堂風(fēng)等影響電弧穩(wěn)定的因素存在。(6)清理補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裂紋處進行必要的磨平和修整,然后對焊縫進行檢測。結(jié)合實際情況,采用RT射線檢測的方法確定裂紋的位置和大小,并由檢驗人員在法蘭上標(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行銑削操作,每次的銑削量不超過2mm;當(dāng)紅色滲透劑首次被去除時,必須再次重復(fù)上述過程(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)對所挖的凹坑進行修磨,使之從任何一個角度都是一個緩坡狀(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度薄弱的部分))。(3)補焊前待焊表面準(zhǔn)備。對因挖排裂紋形成的凹坑,必須在補焊操作前進行嚴(yán)格的清洗。采用長期使用的不銹鋼刷機械清洗方法,對待補焊區(qū)域進行清洗。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多層補焊注意事項(1)補焊前必須對工形法蘭整體預(yù)熱,預(yù)熱溫度80~120℃,防止因局部受熱不均而導(dǎo)致焊接過程中應(yīng)力集中而誘發(fā)新的裂紋。(2)焊接時,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,必須予以及時處理。(3)焊槍的前進角度為80°,與工件方向成直角角度。(4)為避免空氣進入保護區(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,必須填滿弧坑,防止出現(xiàn)母材過燒及弧坑裂紋。(6)對于需采用多層補焊的裂紋處,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)格控制多層焊時的層間溫度,保持層間溫度在60~100℃,方可進行下道焊縫焊接。(8)補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磨成一個緩坡狀(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,再進行下道焊縫施焊。(9)多道補焊時,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,多層補焊時,必須錯開各層之間的熔合線。(10)在補焊因裂紋太深而被挖穿的位置時,推薦焊前往孔里送入氬氣,對反面焊縫進行保護,然后使用小電流焊接,以確保良好熔合。(11)焊后必須進行緩冷,采用間接傳熱的方式對已補焊完畢的工形法蘭進行整體加熱(不超過2A14的時效溫度),推薦時間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,焊縫應(yīng)該與母材平滑過渡,不能低于母材,推薦焊縫余高在0.8~2mm。(2)焊縫進行X射線檢查。等焊縫冷卻到室溫,