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现代焊接技师培训(123)

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-10-19
本刊从2006年7月创办《现代焊接技师培训》栏目至今,已进入第十个年头了,连载文稿讲授了焊接领域大量基本知识,更结合生产实践介绍了大量操作技能,为普通焊接操作者素质提升为生产中的杰出技术工人,起到了极大的促进作用,为生产实践培训了大批高级技师。本栏目的创办,赢得了行业各专家、技术人员和工人们的极大好评。栏目内容,已成为不少企业培训焊工的重要参考资料。 经过长达十年多的连载,现决定继续办下去,并在原有基础上,进一步系统地对各类金属材料的焊接,以生产实践中各种典型部件的焊接进行专业培训,以培
(续上期)
 
255    试述硬铝的治金特点和用途
        硬铝属于热处理强化铝合金。其合金系统有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mn系。
        Al-Cu-Mg系合金主要有2A11(LY11)、2A12 (LY12)。该类合金除利用Cu、Mg溶于α固溶体强化金属外,还利用固溶加时效后形成G、P区或过渡相,产生共格应变场,使合金强化。该类合金主要的强化相为θ相(CuAl2)、S相(Al2CuMg), 其中S相的强化作用比θ相大。2A11(LY11)合金的主要强化相是θ相,而2A12 (LY12)主要是S 相,其次是θ相。加入少量Mn是为了提高耐蚀性, 细化晶粒。常用的2A11(LY 11)硬铝合金强度较低、塑性较好、易于变形加工,适于受力不大而形状复杂的构件,如飞机的螺旋桨片、固定接头等模锻件。2A12(LY 12)强度较高,适于受力较大的构件,如飞机翼梁、蒙皮等。

        Al-Cu-Mg系合金中常用的是2A16(LY16)。它是为改善焊接性而设计的,其ωCu为6%~7%, ωMn为0.4%~0.8%。合金中存在着CuAl2和CuMn2Al12 相,其中CuMn2Al12相在人工时效后呈点状弥漫地分布在α基体上,它在高温下显微硬度高,组织稳定,不易聚集,因此2A16(LY16)比其他合金热强性好,工作温度可达350℃。合金中加入少量Ti,可以细化晶粒和提高结晶温度。2Al6(LY16)合金适于制造M数较高的飞行器部件和压力容器等焊接构件。

        总的来说,硬铝比工业纯铝和防锈铝的强度高、密度小,比强度(强度极限/密度)大,但耐蚀性能不良、焊接性差。
 
256    试述超硬铝的冶金特点和用途
        超硬铝属于热处理强化铝合金。其合金系统为Al-Zn-Mg-Cu,是铝合金中常温强度最高的一种。在这类合金中,Cu、Mg、Zn除起固溶强化作用外,还形成MgZn2、Al2CuMg、Al2Cu3Zn等多种强化相。它们不但结构复杂,而且由于温度变化时Zn、Cu、Mg的溶解度变化较大,故能得到显著的热处理强化效果。Mn、Cr是辅加元素,其作用是提高耐蚀性和再结晶温度,并形成弥散的金属间化合物,能阻止热处理晶粒粗化,还具有一定的辅助强化作用。

        这类合金由于G、P区形成速度缓慢,不能采用自然时效,只能采用人工时效。经固溶加时效处理以后强度大大提高。例如,7A04(LC4) 经460~480℃固溶和140℃、16h人工时效后,强度极限可达560MPa。因此,适于制造120℃以下受力大的飞行器构件,如翼梁、起落架、骨架、隔框等。这类合金的主要缺点是塑性差(δ≈8%),压力加工性能较差,焊接性和耐蚀性比硬铝还差。
 
257    试述锻铝的冶金特点和用途
        锻铝属于热处理强化铝合金。合金系统有Al-Mg-Si和Al-Mg-Cu-Si系,这两个系统的铝合金在高温时塑性良好,故适于制造锻件及冲压件。用于焊接的牌号主要是6A02(LD2)和2A14 (LD10),均为Al-Mg-Cu-Si系统。

        锻铝的主要强化相是Mg2Si。由于Mg2Si在室温下时效析出缓慢,需要10天以上才能完成,一般是在人工时效状态下使用。

        6A02(LD2)锻铝中还加入了少量的锰和铬,可提高强度和耐腐蚀性。6A02(LD2)锻铝经(520±10)℃固溶和150~160℃人工时效6 ~15h后,强度极限可达275~325MPa,伸长率为10%~13%。其退火温度为380~420℃,此时其强度极限降低到98~127MPa,但塑性提高(δ≈24%)。该合金抗腐蚀性较高,接近防锈铝3A21 (LF21)的水平,且不存在应力腐蚀倾向,焊接性优于硬铝,在航空工业中用于制造直升飞机的旋翼和形状复杂的锻件。

        2A14(LD2)锻铝含Cu量接近硬铝,强化相除Mg2Si外,还有θ相(CuAl2)和S相(CuMgAl2) 等,其强度相当于硬铝水平。经(500±5)℃固溶和(160±5)℃人工时效6~15h后,强度极限可达430MPa,伸长率为8%~10%。由于强度高,主要用于制作飞机上承受高载荷的锻件和模锻件,以及导弹、火箭的液体燃料容器等。
 
258   铝及铝合金焊接时容易出现哪些问题?
        铝及铝合金焊接时容易出现以下问题:
        1、气孔    常见的气孔有两种:集中型大气孔和分散型小气孔。集中型大气孔大多分布在熔合线附近或原坡口根部的表面上,断面呈圆形,尺寸较大、数量不多;散布型小气孔常布满整个焊缝的截面,断面呈圆形,尺寸小、数量多,有些气孔由于尺寸小,用于X射线检验往往不能发现。

        2、热裂纹    既可能在焊缝中产生结晶裂纹,也可能在近缝区产生液化裂纹,均为沿晶开裂。

       3、焊接接头软化    焊接以后,铝及铝合金的接头强度都有不同程度的降低。特别是硬铝和超硬铝,强度只有母材的50%~70%。

        4、焊接接头耐腐蚀性降低    焊接以后,铝及铝合金的耐腐蚀性一般均低于母材,尤其是热处理强化铝合金。

        5、铝的氧化    铝和氧的亲和力很大,在空气中其表面极易生成一层很薄的氧化膜(Al2O3)。Al2O3熔点高达2050℃,远远超过铝合金的熔点,而且密度大,约为铝的1.4倍,在焊接时,会阻碍金属之间良好地结合,容易造成末熔合和Al2O3 夹渣等缺陷。另外,Al2O3膜有很强的吸水能力。也是造成气孔的重要原因之一。
 
259   铝及铝合金焊接时产生气孔的原因是什么?
       铝及铝合金焊接时产生的气孔主要是氢气孔,而不是氮气孔或一氧化碳气孔。因为氮不溶于铝中,铝及铝合金中不含有碳,因此不具有产生氮气孔和一氧化碳气孔的条件。

        氢在高温下的铝液中溶解度较大,当温度下降时,溶解度降低,尤其在铝由液态转变为固态时,熔解度急剧降低,从0.69mL/100g降至0.036mL /100g,相差近20倍。因此,如果高温时在熔池中溶解了比较多的氢,在熔池凝固结晶时 就要大量析出,但是如果熔池结晶的速度很快,氢来不及析集成气泡逸出,就会残留在焊缝里形成气孔。

        由于铝从液态转变为固态时氢的溶解度突变比其它金属强烈,固态铝中氢的溶解度较小,加之铝的密度小,气泡上浮速度慢;铝的导热性强,熔池存在的时间短,这些都使得铝及铝合金焊接时产生气孔的倾向增大。

        熔池中氢的来源有两个方面:一是电弧气氛中的氢,即来自保护气中的水汽和侵入电弧空间的空气中的水分,在电弧高温作用下分解出的氢原子,向熔池中溶解。二是氢化膜中的水分,即母材和焊丝表面的氧化膜(尤其是较厚而且疏松的氧化膜)容易吸附水分,当母材和焊丝熔化时,这些水分有一部分来不及蒸发,随氧化膜进入熔池,并分解出氢。

        通常,来自电弧气氛中的氢容易产生分散型小气孔,而来自氧化膜中的水分的氢容易产生集中型大气孔,这是因为电弧气氛中的氢被高温熔池吸收后,在熔池冷却时,过饱和的氢在焊缝的多处树枝晶粒边界析集,首先要形成气泡核,然后才形成小气泡。当结晶速度快、小气泡来不及长大时,就会形成数量多而分散的小气孔。而氧化膜中的水分可以随氧化膜进入熔池,氧化膜不仅提供氢的来源,而且可以作为气泡核心,氢依附在氧化膜上萌生小气泡的时间比较早,比较容易聚集长大,因此能形成集中型的大气孔。
 
260   如何防止铝及铝合金焊接时产生气孔?
        生产中,可以采取以下措施防止铝及铝合金焊接时产生气孔:
        1、控制氢的来源    为了减少电弧气氛中的氢,要尽可能减少由焊接材料(如氩气、焊丝、焊剂等)带入的水分。在气焊和焊条电弧焊时,要严格烘干溶剂和焊条。氩弧焊时,要严格限制氩气中的水分,氩气中水的质量分数须<0.08%, 通气管路、焊嘴要保持清洁干燥,不要在焊前长时间通冷却水,以免凝结水汽。

        为了减少氧化膜中水分带来的氢,对母材和焊丝表面的氧化膜要严格清理。清理有机械消除法和化学清洗法两种。机械消除法是用钢丝刷将坡口及坡口两侧的近缝区表面清刷干净,并用刮刀刮削坡口表面。化学清洗法是用化学溶液去油和氧化膜,清除方法见表71。清洗后要在2~3h内焊接,最多不超过24h。为防止根部氧化膜引起气孔,可将坡口下端(根部)刮出一个倒角,形成倒V形小坡口。

        2、合理地制定焊接参数    钨极氩弧焊时,宜采用大的焊接电流并配合快的焊接速度焊接。因为这种焊接参数既可保证根部熔透,有利于氧化膜上的气泡浮出,又可缩短熔池存在的时间,限制电弧中氢的溶入。

        熔化极氩弧焊时,由于焊丝表面的氧化膜对气孔的影响比较突出,此时,减少熔池存在的时间,难以有效地防止焊丝氧化膜分解出来的氢向熔池侵入,因此宜采用大的焊接电流和较慢的焊接速度焊接,以延长熔池存在的时间,使气泡逸出。

        3、调整电弧气氛的组成    实践表明,氩弧焊时在氩气中加入少量CO2或O2等氧化性气体可减小生成气孔的倾向。因为这些氧化性气体在电弧高温的作用下,可以分解出氧原子,并与氢结合,减少弧柱中自由态氢的浓度,从而减少氢向熔池中的溶解,但是CO2和O2的数量要控制适当。
 
261   铝及铝合金产生焊接热裂纹的原因是什么?
        焊接铝及铝合金时有可能产生两种热裂纹:焊缝中的结晶裂纹和近缝区中的液化裂纹。两者产生的原因不同。
        1、焊缝结晶裂纹    铝及铝合金焊缝中产生结晶裂纹,如同其它金属一样,也是由于焊缝在结晶过程中晶间产生液态薄膜和接头承受较大的拉伸拘束应力共同作用的结果。但对于铝及铝合金,这两个因素的作用更为强烈。除工业纯铝和Al-Mn防锈铝外,大部分铝合金都具有较大的结晶温度区间,而且,如果合金中存在其它元素或杂质时,还可能产生低熔点共结晶物,使有效的结晶温度区间进一步增大,这使得焊缝金属在结晶时,在晶粒之间容易产生使晶间联系削弱的液态薄膜;从另一个方面来看,铝及铝合金的线膨胀系数比较大,比铁高出约一倍,焊缝金属结晶时还将产生较大的拉伸拘束应力。这两者的共同作用,就使得铝及铝合金焊缝产生结晶裂纹的倾向比较大。

        2、近缝区液化裂纹    铝及铝合金近缝区产生液化裂纹也与焊接时近缝区晶间产生液态薄膜和同时承受拉应力有关。当铝及铝合金母材中含有较多低熔点共晶物时,焊接时提前熔化,有可能在晶间产生液态薄膜。同时,近缝区金属不平衡的加热过程导致组分液化,也能在晶间产生液态薄膜。例如,含铜量小于最大固溶度的铝合金在室温时的组织是α+CuAl2,在平衡加热时,CuAl2可以全部溶入α固溶体,但在焊接快速加热条件下,CuAl2的分解和Cu向α内部扩散都不能充分进行,因而在α相靠近晶界的区域富铜,这部分富铜的α固溶体就有可能与末溶解的CuAl2 形成共晶,并在相应的共晶温度发生熔化,形成液态薄膜,使该部位产生液化裂纹的倾向增大。
 
262   各类铝及铝合金的焊接热裂纹倾向如何?
        1、工业纯铝    工业纯铝的焊接热裂纹倾向一般都很小。焊接薄件时不会产生热裂纹,但如果杂质Fe、Si含量超过规定和在焊接大厚度焊件时,也会引起热裂纹,尤其在Fe/Si<1的情况下。

        2、Al-Mn合金    Al-Mn合金最大结晶温度区间很窄,因此热裂纹倾向很小。焊接薄件时不会产生热裂纹,但是如果接头处于较大刚性条件或杂质 Fe、Si含量较多时,也有可能产生热裂纹, 尤其是当Fe/Si<1时,热裂纹倾向大为增加。

        3、Al-Mg合金    Al-Mg合金的热裂纹倾向比工业纯铝和Al-Mn合金大一些,但仍是比较小的。其热裂纹倾向主要取决于含Mg量,当Mg的质量分数为2%~ 3%时,热裂纹倾向比较大;低于这个范围时,所产生的低熔点共晶物不足以形成连续的液态薄膜,热裂纹倾向不大;当含镁量较高时,大量的低熔点共晶物能起到“自愈”作用,热裂倾向也不大。

        4、硬铝    硬铝是三元合金。由于三元共晶物的熔点比二元共晶物的熔点更低,因此有效结晶温度范围更大,焊接时产生热裂纹的倾向更大,属于焊接性不良的铝合金。例如2Al1(LY 12)、2A12(LY12)合金由于热裂纹倾向大,目前很难采用熔焊方法获得优质的焊接接头。但2A16(LY 16)是一个例外,它是为改善焊接性而设计的,因此即使在时效状态下也能成功地进行熔焊。

        5、超硬铝    超硬铝是Al-Zn-Mg-Cu四元合金,焊接热裂纹倾向很大。例如,常用的7A04 (LC4)合金容易形成三元甚至四元低熔点共晶物,使有效结晶温度区间急剧增大,加之合金对焊接热输入非常敏感,因此热裂纹倾向很大。该类合金很少用熔焊方法来制造焊接结构。

        6、锻铝    锻铝是Al-Mg-Si或Al-Mg-Cu-Si 合金,在焊接不平衡的结晶条件下,能形成二元甚至三元低熔点共晶物,因此,这类合金也有较大的焊接热裂纹倾向。

        综上,常用的变形铝合金焊接热裂纹倾向大致按下列顺序递增:3A21(LF21)、1035(L4)、5A03(LF3)、5A05(LF5)、5A06 (LF6)、5A02(LF2)、2A16(LY16)、6A02 (LD2)、2A11(LY11)、2A14(LD10)、2A12 (LY12)、7A04(LC4)。
 
 
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