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因此,为保证焊接质量,焊前必须严格清理焊件表面的氧化物,并防止在焊接过程中再氧化,对融化金属和处于高温下的金属进行有效保护。
2.有较大的导热系数和比热容铝和铝合金的导热系数比热容都很大。
因此,焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的能量。
为了获得高质量的焊接接头必须采用能量集中、功率大的热源。
有时采用预热等工艺措施。
3.焊接热裂纹倾向大铝及铝合金的系膨胀系数约为钢的两倍,凝固时收缩率大,因此在接头中容易形成较大的拘束应力。
因此,焊接某些铝合金时,往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹。
4.焊缝容易产生气孔在焊接高温下,焊接区周围的水、油、空气中的水分等侵入焊接电弧中很容易分解成氢原子或质子,融入过热熔融金属中。
由于氢在液态和固态铝中的溶解度相差很大(近20倍),因此,高温下融入的大量气体,在焊后冷却凝固过程中来不及析出,而聚集在焊缝中形成气孔。
5.焊接接头的力学性能下降对于热处理强化铝合金,无论焊前是时效状态还是退火状态,焊后接头的力学性能都比母材低。
即使焊后进行人工时效,往往也达不到焊前母材的水平。
6.焊接接头耐蚀性下降铝及铝合金焊接接头耐蚀性降低的主要原因是:
接头的组织不均匀;
焊接接头存在有焊接缺陷;
焊缝金属铸造组织的影响和焊接应力的影响。
本设计是以2519高强铝合金为例,来对铝及铝合金的焊接性进行分析。
22519高强铝合金的焊接性分析
2.12519高强铝合金的焊接性综述
Al-Cu-Mn系高强铝合金在Al-Cu系合金中属于焊接性相对较合金,虽然其焊接接头室温强度只有焊前母材强度的60%~70%,但可实行局部厚度补偿。
熔焊时,可通过选择焊接材料来降低或避免焊接过程中的热裂倾向。
焊接接头断裂韧度高,超低温性能好,母材焊接接头的延性均有所提高。
高强铝合金2519出现之初,结构件的焊接主要以氩弧焊(钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊)为主,但随着焊接技术的不断进步以及新焊接方法的出现,变极性氩弧焊、电子束焊、激光焊、激光-MIG复合焊、搅拌摩擦焊等都被用来进行高强铝合金的焊接。
其中,对于不同的熔焊方法,虽然焊后焊接接头的强度不尽相同,但基本集中在母材强度的60%~70%。
3焊接工艺规范对焊接接头性能的影响熔焊时的焊接规范主要包括焊丝、焊接热输入、保护气体、焊后热处理方式以及坡口形貌等。
2.2.焊丝的选择
熔焊时,最重要的是选择合适的焊丝。
合适的焊丝不仅可以改善焊接时的热裂倾向,还可弥补焊接过程中的元素烧损,并在一定程度上改善焊接接头的性能。
哈工大的杨春利等人采用双丝GMAW方法焊接了厚板铝合金2519,选择紫铜垫板、进口ER2319焊丝,在对焊接规范进行优化后,焊接接头的抗拉强度可达母材的61%。
中南大学的李慧中等选用MIG进行焊接时,选择ER4047焊丝。
北京工业大学的陈铠、肖荣诗等采用填粉激光焊接技术对高强铝合金进行了焊接,其中合金粉末材料是M52C-NS(AlSi12,与焊丝4047成份相同)。
而焦好军、胡明臣等则采取了自行研制的焊丝进行焊接(焊丝成分未知),焊后焊接接头的抗拉强度为60%~70%。
许良红、田志凌在焊接时选择自行研制的焊丝,成分为Al-Cu系。
JackH.Devletian等人采用拘束性的裂纹试验对钨极氩弧焊时的热裂纹敏感性进行了试验,发现四种焊丝的热裂纹敏感性由低到高分别是:
ER4145、ER4043、ER2319以及ER5356,其中使用焊丝ER5356时焊接过程出现严重的根部裂纹。
同种材料的高强铝合金焊接时,选择焊丝ER4145和ER2319均可获得较高强度的焊接接头,但当要求焊缝的抗弹性能时,优选焊丝ER2319。
综上所述,熔焊焊接高强铝合金时,焊丝的选择基本集中在ER2319Al-Si系(ER4047、ER4043)和ER4145。
并且,杨春利、刚铁、林三宝等人在采用双丝MIG进行高强铝合金的焊接时,发现当采用国产焊丝焊接时,虽然对焊丝和母材进行了比较严格的清理,但仍不能消除气孔,而采用进口ER2319焊丝时,焊缝的气孔率很低。
这就说明焊缝气孔的出现除与原材料清理、焊接规范、焊丝成分等有关外,还与焊丝的表面钝化以及光滑处理等有关。
首都航天机械公司的范平章等在焊接高强铝合金时也发现气孔是最常见的问题,统计3657m焊缝,气孔缺陷占总缺陷的79%。
范平章在该文中还指出,铝合金的表面状态对焊接气孔有很大的影响。
因此,焊接高强铝合金时,应优选进口焊丝,并且严格控制焊前清理及装配过程。
2.3焊接热输入
不同热处理制度下的力学性能
热处理制度
抗拉强度MPa
屈服强度MPa
断后伸长率%
断面收缩率%
自然时效
295
178
2.5
13.5
人工时效
340
280
2.0
16.5
固溶加人工时效120℃x5h
405
250
220
35.5
固溶加人工时效120℃x10h
400
255
190
20.5
固溶加人工时效120℃x20h
430
260
230
39.5
当确定焊接方法后,焊接工艺参数的影响主要可归结为对熔池高温存在时间的影响,也就是对氢的熔入时间和析出时间的影响。
由于高强铝合金具有较强的热裂纹敏感性和较大的气孔敏感性,一般应选择热输入小的焊接规范。
JackH.Devletian等人在铝合金2519焊接性试验中对两种不同的焊接热输入进行了试验分析,两种热输入水平分别为994J/mm(25.3KJ/in.)和394J/mm(25.3KJ/in.),记为A和B。
发现选择焊丝ER2319时,小的热输入可获得较好的焊接接头强度;
而选择焊丝ER4145时,热输入对焊接接头的强度几乎无响。
2.4焊后热处理方式
JackH.Devletian等人还对铝合金2519熔焊时焊后热处理方式等进行了试验。
焊后通过对焊接接头的机械性能进行比较,发现时效处理对焊接接头强度的提高并不明显。
中科院金属所的洪张飞等人也在试验后发现,对高强铝合金2519焊缝焊后再经过时效处理,焊接接头的强度系数达到了母材的65%,但塑性稍微下降;
而焊后经过固溶+时效的热处理方式后,接头的强系数达到了母材的88%,塑性也得到显著提高。
许良红、田志凌等在激光-MIG复合焊后,对三种热处理制度:
自然时效、人工时效(120℃×
18h)、固溶处理加人工时效(535℃×
1h+120℃×
20h)进行了试验。
不同热处理制度下的力学性能如表1所示。
发现固溶处理后加人工时效接头的强度提高较多,并且接头的塑性也有很大的提高,此时接头的薄弱环节在热影响区,拉伸断口也在热影响区。
固溶处理后,随着人工时效时间的增加,接头的抗拉强度和屈服强度都有比较微小的增加。
2.5厚板焊接时坡口形貌
由于铝合金2519的高比强度和比刚度以及优异的抗应力腐蚀性能,首先被作为装甲铝合金备选材料。
一般,装甲铝合金构件都比较厚大,因而坡口形貌的确定就非常重要。
铝合金厚板焊接一般都采用I型、V型以及双U型坡口。
目前国外在对复合焊接的对接焊上采用的坡口一般都为双U型坡口,坡口角度在30°
左右。
但国内许良红、田志凌等通过试验发现,在复合焊接对接焊时,采用类似U型坡口更有利。
并且类似U型坡口的角度对复合焊的焊接效果也有很大影响当类似U型坡口的角度在10°
时,电弧不能到达坡口底部。
而当坡口角度在15°
时,整个焊接过程比较稳定,在坡口外未观察到激光等离子体的存在,坡口内的穿透熔深也随之增加。
2.6保护气体
保护气体的选择与焊接方法相关。
当采用TIG焊、MIG焊等弧焊方法时,JackH.Devletian等人试验发现75%Ar+25%He的混合气体与100%Ar作为保护气体时对焊接接头的强度系数几乎无影响。
而在激光焊或激光-MIG复合焊时,则采用在He中添加少量的Ar作为保护气体,不仅可以稳定电弧,减少气孔率,而且可以改善焊缝成形。
2.7不同焊接方法对焊接接头性能的影响
不论国内、国外的研究学者,在采用TIG焊、MIG焊、变极性氩弧焊、电子束焊、激光焊等焊接方法时,焊接接头的强度系数只能达到基体母材的60%~70%。
传统弧焊由于热输入量比较大,接头软化、裂纹、气孔等问题都很难解决,只能达到母材的60%左右。
真空电子束焊的接头系数稍高,为母材的66%。
激光焊接高强铝合金虽然能够显著提高接头的强度,但是由于铝合金的反射率比较高,使得激光的利用率比较低,而且非常容易产生气孔、缩孔、裂纹、咬边等缺陷,难以实现厚板的焊接。
许良红、田志凌等采用激光-MIG焊焊接2519-T87态的高强铝合金,当采用合适的焊接规范时可获得无缺陷的焊接接头,且接头的抗拉强度能达到350MPa,为基体母材的73%。
搅拌摩擦焊作为新型的固态连接技术,具有无焊接气孔、焊接变形小、残余应力小、无合金污染等优点,因此,许多科研单位对铝合金2519的搅拌摩擦焊工艺展开了试验研究。
中南大学的周鹏展、贺地求等通过试验优化搅拌摩擦焊过程中的旋转速度、焊接速度等参数,焊接接头的强度可达313MPa,为母材强度的67%左右。
并通过对断口的分析,认为焊缝中组织的差异及晶界上粗大的富铜析出相是导致焊缝强度低于母材强度的原因。
32519高强铝合金焊接裂纹的预防措施
对于焊缝的结晶裂纹,目前主要通过选择合适的焊接方法、焊丝材料,以及采用适当的焊接工艺规程和操作来进行控制。
3.1选择合适的焊接方式
鉴于2519高强铝合金焊接特性,经过分析比较,采用双丝GMAW焊接效果较好。
因为熔化极氩弧焊采用射流过度时,电弧功率大,电弧挺度好,便于全方位焊接,并且熔深大,熔透性好,焊接时间短,热输入量集中,生产效率高,可使焊接接头的热影响区减小、结晶组织细化,减少熔合区的晶粒长大程度,降低过热程度,因此,可减少焊接应力,减小焊接变形,使焊接热裂纹的倾向降低;
同时,焊缝抗腐蚀性能好,强度与韧性好。
3.2选择合适材质的焊丝
合适的焊丝化学成分能够获得致密而细晶的焊缝,不仅在焊接时有抵抗结晶裂纹形成的能力,而且使焊接接头具有很高的力学性能和抗腐蚀破裂的性能。
在选择焊丝时首先要考虑基体合金的化学成分。
通常,焊丝的化学成分与基体合金的化学成分应有差别,焊丝在液态应该具有良好的流动性,结晶速度比基体合金的缓慢一些,熔点较低一些,并有很高的抵抗结晶裂纹形成的能力。
根据2519铝合金的焊接特性可选用ER2319铝合金焊丝,ER2319合金焊丝的Si含量适当,液态时金属的流动性好,凝固时的收缩率小(可相应地减少收缩应力),具有优良的抗裂性能,可显著减低2519铝合金焊缝处金属的裂纹敏感性;
此外,Si在α-Al中的溶解度不大,绝大部分在554℃形成Al-Si共晶,从而大大缩小脆性温度区间,使焊接热裂纹倾向降低;
同时,由于这种焊丝具有足够数量的低熔点共晶,可填充液态金属收缩时引起的空隙,进而降低焊接热裂纹倾向性。
在焊丝中可加入微量的Zr,作为变质剂,可以细化焊缝处金属晶粒,改善焊缝处金属的塑性和韧性,显著提高焊接接头的抗裂性能。
3.3选择合适的焊接工艺规范
在确定焊接工艺参数时,应先根据焊件厚度选择焊丝直径、坡口尺寸及焊接电流等工艺参数。
(1)对于壁厚较大的管形件,在焊接过程中应适当降低焊接速度,增大焊接电流;
对于宽度比很大的焊缝可采用加大电弧电压以加宽焊道,降低熔深以避免产生焊接裂纹。
(2)焊接过程中,减小焊接热输入量,采用热能量集中的电弧焊接,可使焊接接头的热影响区减小、结晶组织细化,降低过热程度,使焊接热裂纹的倾向降低。
(3)装配过程中,焊缝根部的间距应适当,以降低焊缝的刚度,避免因焊接变形而产生较大的焊接应力,从而减少焊接裂纹的产生。
(4)设计焊接接头时,应将接头的坡口角度加大到足以能对坡口底部进行试焊操作。
3.4正确执行焊接操作
(1)焊前预热。
焊前预热焊件,可降低焊接时的热导出量,尤其是在冬季和气温较低时,更应加强焊前预热。
焊前将制件放入加热炉预热到100~150℃,一般不超过200℃。
如果焊前预热温度过高,可能导致焊缝处金属晶粒长大、热影响区增宽及制件的力学性能和抗应力腐蚀性能下降。
预热件出炉后应立即施焊。
这样可以降低焊接温度梯度,使熔池金属凝固速度降低,从而降低焊接应力与焊件变形,防止出现裂纹并有助于改善焊缝性能。
预热温度可用表面测温计测量。
(2)焊接结束后制件应装炉,随炉缓冷。
这样可降低熔化金属的冷却速度,使熔池金属凝固速度降低,降低焊接应力与焊接变形,从而防止产生焊接裂纹。
3.5改善焊接操作环境和提高操作人员的技术水平
铝合金氩弧焊接应尽量在干燥、清洁、少干扰的环境下进行。
要求焊接时的环境温度不大于30℃,相对湿度不大于75%。
应使用高纯度氩气作为保护气体,氩气中的含水量应小于0.08%,露点控制在-50℃以下。
氩气的管路也要保持干燥。
另外,由于铝合金由固态转变为液态时,无明显变形及颜色变化,使操作者难以掌握加热温度,给焊接操作带来很大的难度。
因此,应加强操作人员的技术培训,提高操作人员的技术水平。
42519高强铝合金焊接气孔的预防措施
4.1合理选择焊接方式及焊接工艺规范
2519高强铝合金焊接方法的选择应根据其焊接特性、焊接厚度、生产条件以及对焊接质量的要求综合考虑。
鉴于前面所述2519高强铝合金焊接特性,经过比较分析,采用双丝GMAW焊接效果较好。
因为GMAW焊接具有电弧挺度好,便于全方位焊接,并且熔深大,熔透性好,焊接应力小、焊接变形小,焊缝抗腐蚀性能好,强度与韧性好,焊接时间短,热输入量大等特点,适合于2519高强铝合金焊接。
制定合理的焊接工艺是改善焊缝质量、提高焊接性能的重要手段,主要应从以下几方面入手:
(1)在2519高强铝合金焊接过程中,尽量采用大输入热量(取决于焊接电流及焊接速度)。
如适当加大焊接电流、减缓焊接线速度,以此提高熔融金属温度,降低结晶速度,延长熔池处于高温液态下的时间,可使熔池金属中气体有充分时间逸出。
适当加大焊接电流,还能改善坡口根部的焊透程度以及增强熔池的搅动,因而使根部的气泡容易逸出。
同时,加大焊丝送进速度和电弧电压,或降低焊接线速度等措施,可使熔池金属充分熔融而改善焊缝熔合状况。
(2)合理选择氩气流量可用较少的氩气获得保护良好的焊缝。
适当增大氩气流量可以增强气流挺度,增强氩气保护层抵抗空气流动影响的能力和抵抗由于焊接速度的增大而受到增大的空气阻力的能力。
但氩气流量不宜过大,否则,氩气保护层会产生涡流,反而卷入空气,降低保护效果并影响焊接电弧的稳定和使熔池发生波动,因而增加焊缝产生气孔的几率。
(3)设计焊接接头时,应将接头的坡口角度加大到足以能对坡口底部进行施焊操作;
并使熔池底部在焊接过程中产生的气体容易逸出。
4.2合理选择焊丝材料及尺寸规格
2519高强合金焊接过程中,焊丝材质和尺寸规格以及氩气的选择是影响焊接质量的十分重要的因素。
如果焊丝选用不当,往往是产生热裂纹、气孔以及接头强度、塑性、抗腐蚀性不良的重要原因。
(1)选用直径较大的焊丝,有利于减少气孔的数目。
因小直径焊丝的比表面积大,也就是说,单位时间内熔融并近热熔池的焊丝长度大。
因此,使熔池中势必带入更多的氧化膜和氢气(与大直径焊丝相比),使气泡产生的几率增加。
(2)合理选择焊丝化学成分是防止焊接气孔及提高焊缝强度、塑性、抗蚀性的重要保证。
2519高强铝合金属于Al-Cu-Mn系合金,含有较多的锰、铜等,可焊性差,焊缝塑性差,不能采用基体金属作为焊丝。
根据2519高强铝合金的焊接特性可选用Al-Cu系的ER2319焊丝。
Al-Cu系合金焊丝对氢的溶解度大,焊缝金属在凝固过程中氢的析出量减少,气孔数量较少。
另外,从实际焊接规范来看,Al-Cu合金焊丝的焊接性能好,这样在焊接过程中熔池冷却时在高温区停留的时间较长,使溶解在焊缝中的气体可以充分逸出。
(3)2519高强铝合金氩弧焊接过程中,宜采用高纯度的氩气,纯度一般应大于99.9%,氩气中的含水量应限制在0.07%左右,在使用前必须对氩气进行严格检验。
在开始焊接时,应先在废铝板上焊接数分钟,然后再正式开始焊接。
氩气管路系统要保持干燥,不得有泄露现象。
4.3认真进行焊前清理
认真进行焊前清理是控制焊缝气孔缺陷十分重要的措施。
焊前对焊丝表面与坡口两侧不小于50mm处认真清理,除去表面油污、脏污、氧化膜和有碍焊接质量的杂质。
清理的具体注意事项如下:
(1)可先用钢丝刷清除焊件坡口两侧表面的氧化膜,直至显现出纯净铝合金洁白光泽,再用毛刷蘸丙酮去除油污后,装入电炉烘干。
烘干温度100~150度,时间1~1.5h。
(2)整体清洗焊丝。
先用丙酮去除焊丝表面油污。
然后在40~50℃的NaOH溶液(浓度6%~10%)中清洗7min左右,溶液温度不同时,则清洗时间不同,直至漏出金属的光泽,清洗时要搅动焊丝,应注意只要漏出金属光泽即可,时间过长材料减薄严重。
接着用70~90℃热水冲洗10min左右,将留在焊丝表面的NaOH溶液完全除掉。
然后,立即放入30%硝酸溶液中中和光化10~15min。
焊丝装入电炉烘干,烘干温度100~150℃,时间1~1.5h.
(3)经过清理的部件和焊丝,应妥善保护,焊丝应置于干燥而清洁的环境中,清理后应尽快焊接,从清理到焊接的间隔时间应在24h内。
若间隔时间超过24h,必须重新清理。
(4)焊丝表面若有气孔、大面积划伤痕迹,或有破碎和腐蚀斑点,则不得使用。
焊前将焊丝整齐地盘绕在焊丝盘上,盘丝时须带线手套。
4.4正确执行焊接操作
由于铝合金导热性好,焊接时需要输入大的热量,以补偿向焊件的导出热量,采用焊前预热焊件,可降低焊接时的热导出量,尤其是在冬季和气温较低时,更应加强焊前预热。
焊前将锻件放入加热炉进行预热,预热温度可定在100~150℃,一般不超过200℃,以免经过焊前预热处理后,使铝合金抗应力腐蚀性能下降。
出炉后立即施焊,这样可清除焊口表面附着的部分水分,同时,有利于提高锻件的原始温度,降低焊接温度梯度,使熔池金属凝固速度降低,可使熔池金属中气体有充分时间逸出,从而减少气孔的产生,有助于改善焊缝性能。
(2)采用合适的焊炬、喷嘴,以改善气体的保护作用。
焊接时必须彻底清除喷嘴上粘附的飞溅物,以免混入水分等。
缩短电弧长度,减小喷嘴直径,更换破损的喷嘴,减小焊枪角度等,均能提高氩气屏蔽效果。
(3)焊接操作过程中,焊丝应被置于行进角度上,以获得最大程度的熔深。
同时将电弧保持在熔池的前沿。
焊丝的伸出长度应适当,要能接近坡口底部,以便能充分发挥电弧特性。
(4)焊嘴高度对气孔影响显著。
一方面,焊嘴增高使焊丝的伸出长度增加;
另一方面,焊嘴提高使焊接空间加大,这些都导致氩气保护效果减弱,使熔池吸氢量增加。
但也要注意焊嘴高度不宜过小,以免烧嘴。
52519高强铝合金焊接工艺
5.1双丝GMAW焊接原理
双丝GMAW焊接原理,两根焊丝通过一个特别设计的焊枪按一定的角度送入到同一个熔池中,两根焊丝由各自的电源供电,送丝速度、脉冲电压、脉冲频率、基值电流、脉冲时间等参数都可独立调节,电弧控制非常灵活。
双丝GMAW焊由两根焊丝同时熔化、处于同一个熔池中,二者互相加热,最大限度的减少了热量损失,提高了熔敷速度和生产效率。
1双丝GMAW焊接原理图
双丝GMAW焊接时前、后丝对焊缝成形有着不同的影响,焊接时前丝与焊件垂直且使用较大的电流和较低的电压,形成较大的熔深(S);
后丝与前丝成一定夹角,保持相对较小的电流和略高的电弧电压,从而达到提高焊缝熔宽(C)的目的。
因此焊接时应根据两根焊丝的不同作用选择合适的参数。
图2前后丝对双丝GMAW焊缝成形的影响
5.2试验材料及方法
试验材料是2519T-87高强铝合金,采用平板对接方式,每块试板的尺寸为500mmx120mmx20mm,试件板边开对称双U形坡口,坡口角为700具体形状参数。
在焊第一道焊缝时为避免焊穿,焊缝背面使用与坡口形状一致的紫铜垫板。
焊接时选用美国产ER2319铝合金焊丝,焊接前应对坡口和焊丝进行清理,去除沾附的杂质和油污。
根据焊接层数和电流的不同,共进行了三种工艺试验,分别命名为大电流两道焊(DL).小电流四道(XS)焊和大电流四道焊(DS)。
首先介绍DL和XS工艺试验,表1表2分别是DL.DS工艺试验的焊接工艺参数。
DL焊接时,正反各焊一道,焊接背面焊道时先进行清根,并适当增加焊接电流而降低电压,这样可以进一步增大反面熔深,减少根部可能出现的缺陷。
XS焊接顺序为先焊正面第一道,反面清根后焊第一道,再焊反面第二道,最后焊正面第二道,这样有利于减少焊接变形。
图3试板坡口形式
表1DL焊接工艺参数
焊接顺序
送丝速度m/min
脉冲频率Hz
脉冲电压V
脉冲时间ms
基值电流A
焊接速mm/min
正面
10.0
230
25.0
2.2
100
415
7.5
200
26.0
反面
2.2
100
200
表2XS焊接工艺参数
焊接顺序
基值电流A
正面
第一道
7.8
230
25.5
2.1
100
513
7.0
230
26.0
2.1
100
反面
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