铝合金焊接缺陷的分析与研究

铝合金焊接缺陷的分析与研究

0铝合金焊接性能成为国际研究热点之一作为工业中广泛使用的金属结构材料，铝合金已广泛应用于航空、航空航天、汽车、机械工程、船舶和化学工业中。随着科学技术以及工业经济的飞速发展,全球对铝合金焊接结构件的需求日益增多,对铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用在促进铝合金焊接技术发展的同时,焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域,因此铝合金的可靠焊接技术正成为全球研究的热点之一。某单位在对产品进行液压试验时,一个2A14铝合金“工字形”法兰焊接处发生开裂,造成该产品第一次液压检验失败。文中对该法兰裂纹情况、诱发原因及补焊过程进行分析总结,为相关产品避免类似问题积累经验。1裂纹诱发原因分析图1(a)示出该工字形法兰在整个产品结构上的安置原理图,发生开裂的部位位于法兰上。对法兰裂纹观察发现,该裂纹为典型的渗透裂纹,如图1(b)中所示。该裂纹沿焊缝金属与母材间的熔合线扩展并渗透整个接头的同时,也在横向上沿着接头的热影响区扩展,如图1(b)中的A向裂纹延展形貌。在对2A14铝合金焊接过程中,接头中产生低熔点的共晶体呈薄膜状展开于晶界上,促使晶体分离、增加合金的热裂倾向;同时铝合金线胀系数大,加剧焊缝凝固过程中焊缝的裂纹倾向。因此,2A14铝合金在焊接金属和近缝区的裂纹主要为热裂纹。为分析裂纹诱发原因,对该法兰原始X射线探伤底片进行了仔细分析,通过复查发现在开裂部位存在微观缺陷(微小尖状气孔和夹渣),这些尖状部位正是微观裂纹源,在初次排除时被忽略。故在进行液压试验时,该法兰接头承受附加的外载荷,以及极不对称分布的焊接应力,接头中存在的微观缺陷部位因强度过低而失效,从而导致缺陷源发生扩展、延伸,直至发生开裂。同时,对开裂焊缝热影响区取样分析表明,由于过度焊接热输入,热影响区组织中聚集、生成了一定量的第二相颗粒,这些颗粒的物理性能与基体铝合金存在很大差异。在外加应力作用下,基体材料与第二相颗粒极易发生脱离,形成微孔洞,最终造成了接头性能的劣化。因此,在焊接缺陷处产生的初始裂纹,一旦经过延伸、扩展进入性能弱化的热影响区,就在外加应力的作用下迅速发生大尺寸扩展。综上,焊接过程产生的微观缺陷及接头热影响组织弱化是开裂的主要原因,液压负载产生的外加应力是诱发原因,两者共同作用于工字形法兰,最终导致法兰大尺寸开裂失效。2分析字形语法中裂纹的起源2.12试样材料的焊接性2A14铝合金因其较好的综合性能,被广泛用在航空航天大型储存容器中,如运载火箭的燃料储箱。表1列出了由某铝业供应的2A14铝合金成分。2A14铝合金是一种热处理强化合金,其热处理规范分为以下4步:首先,加热到475~490℃,并保温12~14h后炉冷的均匀化退火热处理工艺;其次,加热到350~400℃,保温30~120min(与材料有效厚度有关)后以30~50℃/h速度随炉冷至300℃以下再空冷的完全退火工艺;再次,加热到350~460℃,保温30~120min(随材料厚度不同而变化)后空冷的快速退火热处理工艺;最后,采取495~505℃水冷淬火后自然时效(室温)96h。尽管2A14具有很好的综合性能,但与其他金属材料相比,其焊接性极差,极大地影响了焊接接头的服役性能,表2列出了常见金属间的性能对比。通过研究分析认为,2A14铝合金的极差焊接性主要表现在以下方面:(1)氧化性。铝-氧间化学活性强,一方面生成的Al2O3薄膜会阻碍熔化金属之间良好结合;另一方面Al2O3密度约为铝的1.4倍,在焊接过程中来不及上浮而形成夹渣。此外,Al2O3薄膜容易吸附水分,导致焊缝中形成气孔。(2)比热容和热导率。铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍,在相同的接头形式下,大量热量在焊接过程中被迅速传导到母材金属内部,故需消耗更多的热量。(3)热裂倾向性。铝及铝合金的线胀系数约为23×10-6℃-1,为钢的2倍左右,凝固时的体积收缩率达6.5%。因此,焊接时具有极大的热裂倾向性。(4)气孔敏感性。铝合金焊缝中只产生氢气孔。由于铝和铝合金的密度小,气泡在液态熔池中的上升速度较慢,同时,由于铝的导热率大,熔池冷凝快,导致上升的气泡来不及逸出而被桎梏在焊缝中成为气孔。(5)接头不等强。2A14铝合金为热处理强化合金,因此其焊接热影响区(HAZ)由于受焊接热循环作用而发生软化,强度降低,使接头与母材金属无法达到等强度。研究表明:工业纯铝及非热处理强化铝合金的接头强度约为母材金属的75%~100%;而热处理强化铝合金的接头强度下降更为剧烈,仅为母材金属的50%~60%。(6)焊穿。因熔池表面无明显的颜色变化,操作者不容易判断出母材金属温度,常因温度过高导致焊缝烧穿。2.2接头残余应力分析通过长期的生产实践,已经积累了一个相对比较成熟的2A14+BJ-380A焊丝组合应用体系。分析认为,此次储箱上工字形法兰液压试验时发生开裂的间接原因在于焊接过程中焊接工艺不规范诱导了此次法兰开裂。(1)焊接顺序存在问题,致使接头中存在高值应力。分析认为,该工字形法兰焊接结构较为特殊,且整个法兰在焊接过程中采用周边焊接,导致焊接结束后在法兰接头处产生极大的焊接残余应力。图2示出正常对接焊时,接头残余应力分布情况,可以看出,焊缝接头处存在拉应力,并在焊缝过渡处存在一定程度的应力集中,应力幅值为σ,但该应力在焊缝左右两侧过渡处的幅值大小相等,对称分布。图3示出该工字形法兰装焊部位残余应力分布。接头处也为拉应力,但不同之处在于,法兰焊缝过渡处产生的应力幅值σ1和σ2均大于常规接头中的残余应力幅值σ;同时,法兰内侧处产生的应力σ1的幅值急剧增加,成为该法兰焊缝上应力最为集中的部位之一。故在焊接该法兰时,必须采取有效措施,尽量减小法兰应力集中。但在该法兰的焊接过程中,操作工没有采用正确的焊接顺序,导致该法兰应力集中更加严重。(2)没有严格执行焊前预热和焊后缓冷的操作规程。焊前对法兰及附近区域预热,可减小该法兰焊接过程中的残余应力。(3)焊接操作不当,致使焊缝外形不良,存在急剧过渡的情况。焊缝局部余高超过4mm,形成焊缝急剧过渡,导致在过渡处形成严重的局部应力集中;与此同时,焊接起、收弧位置不当,在应力最大处存在起收、弧接头。对开裂裂纹进行表面检查发现,证实在失效部位存在起、收弧接头。(4)工艺参数存在问题,导致打底焊、盖面焊及封底焊3层的熔合线没有有效地避开而发生了重合。为了确保焊接接头的可靠性,必须采用合适的焊接工艺参数,实现3层焊缝的熔合线有效地避开,经试验确定为打底焊焊缝宽度8~10mm,盖面及封底焊焊缝宽度14mm左右。3更正和连接工字形语法中的裂纹3.1自动化焊接设备由于该工形法兰裂纹产生位置的局限性,自动化焊接设备难以接近补焊位置。依据航天产品质量控制要求,同时结合实际,补焊方法采用手工钨极氩弧焊。3.2补焊工艺试验补焊时的焊接参数和正常焊接时基本一致,其中采用单层单道补焊时,和正常焊接参数完全一样;而对于必须采用多层补焊的裂纹处,第1层采用比正常电流小10%~15%的焊接参数,第2层和正常焊接规范一样。由于铝合金在焊接时极易产生热裂纹,故在保证熔合良好的基础上,推荐电流越小越好,这样在补焊过程中不易诱发新的热裂纹。为选用最优补焊参数,依照铝合金焊接工艺评定要求,对焊接参数重新进行工艺试验,以确定最优的补焊性能。表3列出法兰各层最优的焊接工艺参数。3.3补焊工艺流程为:补焊成功后补焊效果评价根据行业铝合金熔焊技术条件规范要求,此法兰为关键部位控制对象,且为Ⅰ级焊缝位置。为达到一次补焊成功,制定了如图4所示的补焊流程。与此同时,补焊操作前,工艺及操作人员须对补焊过程中的一些重点注意事项进行仔细梳理,具体内容如下。3.3.1交流电源及补焊操作要求持有单位焊接上岗证并且具有技师职称的人员进行产品补焊操作,且补焊前进行模拟过程演练和工艺试验件的焊接。(2)设备。使用米勒700氩弧焊机,有预先供气,电流衰减和滞后送气的各种功能,采用交流电源。(3)气体。选用纯度为99.999%的工业纯氩作为焊接保护气体,选用流量为12~14L/min。(4)焊丝。采用的焊丝牌号为BJ-380A,焊前必须对焊丝进行酸洗,且在8h内实施焊接操作,否则须重新对焊丝进行酸洗。(5)工作场地的选择。本补焊操作在完全封闭的车间内进行,湿度小于70%,并且无穿堂风等影响电弧稳定的因素存在。(6)清理补焊所需的工装及辅助工具。3.3.2红色渗透剂铣削及清洗首先对裂纹处进行必要的磨平和修整,然后对焊缝进行检测。结合实际情况,采用RT射线检测的方法确定裂纹的位置和大小,并由检验人员在法兰上标划裂纹准确位置及延展路径。(2)裂纹清除。在所标记裂纹路径及其两侧(10mm)涂覆渗透剂,然后用R铣刀依照所标记裂纹的纵向和横向延伸路径进行铣削操作,每次的铣削量不超过2mm;当红色渗透剂首次被去除时,必须再次重复上述过程(涂覆渗透剂-铣削),直到确认已排除为止(注:1)由于如前所述的裂纹部分已形成了贯穿裂纹,因此为了排除干净,局部位置被铣穿;2)对所挖的凹坑进行修磨,使之从任何一个角度都是一个缓坡状(作用是防止未熔合等缺陷),并在裂纹端头多磨去2mm左右(作用是止裂和去掉强度薄弱的部分))。(3)补焊前待焊表面准备。对因挖排裂纹形成的凹坑,必须在补焊操作前进行严格的清洗。采用长期使用的不锈钢刷机械清洗方法,对待补焊区域进行清洗。清洁好的焊接区域不能用手摸或是被油污污染,如被污染,必须重复上述清洗流程方可允许施焊。3.3.3多层补焊注意事项(1)补焊前必须对工形法兰整体预热,预热温度80~120℃,防止因局部受热不均而导致焊接过程中应力集中而诱发新的裂纹。(2)焊接时,由于起弧处最易出现气孔、起收弧裂纹和夹渣等焊接缺陷,必须予以及时处理。(3)焊枪的前进角度为80°,与工件方向成直角角度。(4)为避免空气进入保护区,尽量采用短电弧焊接,但须避免钨极与熔池接触。(5)焊接收弧时,必须填满弧坑,防止出现母材过烧及弧坑裂纹。(6)对于需采用多层补焊的裂纹处,要将前道焊缝用钢丝刷清理干净,去除金属氧化物或者其他杂质,防止出现夹渣。(7)严格控制多层焊时的层间温度,保持层间温度在60~100℃,方可进行下道焊缝焊接。(8)补焊焊缝中尽量不允许出现接头,如有需要,则需在接头处用打磨机磨成一个缓坡状(易于接头的熔合),并清理干净,且在缓坡前方20~30mm处起弧(防止不熔合)。如是多层焊,推荐将接头处磨平,再进行下道焊缝施焊。(9)多道补焊时,必须注意控制起收弧的位置,避免起收弧位置重合;与此同时,多层补焊时,必须错开各层之间的熔合线。(10)在补焊因裂纹太深而被挖穿的位置时,推荐焊前往孔里送入氩气,对反面焊缝进行保护,然后使用小电流焊接,以确保良好熔合。(11)焊后必须进行缓冷,采用间接传热的方式对已补焊完毕的工形法兰进行整体加热(不超过2A14的时效温度),推荐时间3~5min。3.3.4焊接焊接鉴定(1)焊缝的外观检察。不允许存在裂纹、气孔、缩孔、未熔合、咬边等表面缺陷。与此同时,焊缝应该与母材平滑过渡,不能低于母材,推荐焊缝余高在0.8~2mm。(2)焊缝进行X射线检查。等焊缝冷却到室温,