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现代焊接技师培训(124)

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-11
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
(续上期)
 
263   如何防止铝及铝合金产生焊接热裂纹?
        生产中,可以采取以下措施防止铝及铝合金产生焊接热裂纹:
        1、选用热裂纹倾向小的母料,严格控制杂质含量    各种铝合金焊接热裂纹倾向不同。其中热裂纹倾向较小的是工业纯铝和防锈铝。但防锈铝中的Al-Mg合金当Mg的质量分数为2%~ 3%时,热裂倾向也比较大。热处理强化铝合金一般来说热裂纹倾向都比较大。因此,作为焊接结构用的比较多的是防锈铝、2A16(LY16) 及Al-Zn-Mg合金;其次是6A02(LD2)、2A14 (LD10)、2A11(LY11)合金;2A12(LY12)、7A04(LC4)合金则主要用于电阻焊结构。

        2、正确选用填充金属    当母材确定以后,正确选用填充材料是防止热裂纹的关键。
        一般来说,填充金属可以从以下几方面对防止热裂纹发挥作用:①增加低熔点共晶物数量,对裂纹起“自愈”作用。例如,对一些热裂纹倾向大的硬铝合金,焊缝成分在原合金系统中进行调整难以奏效,但如果采用ωsi5%的Al-Si焊丝(SAlSi5)焊接,由于能形成较多低熔点共晶物,能够“自愈”,因而有较高的抗热裂纹能力。②对焊缝进行变质处理。铝合金的焊丝中几乎都有Ti、Zr、V、B等微量元素,一般都是作为变质剂加入的。这些元素能与Al 形成难熔的金属间化合物的细小微粒,起到非自发结晶核心的作用,因而能细化晶粒,疏散低熔点共晶物,提高焊缝的抗热裂性。③减小有效的结晶温度区间。例如,为焊接Al-Cu-Mg 系硬铝而发展的B61焊丝加入了Ni、Mn和Ti元素,Ni 能与Al、Cu发生包晶反应,形成复杂的金属间化合物(CuAlNi),能提高固相线温度,从而使有效结晶温度区间减小,加之,Mn和Ti能细化晶粒,因而能提高焊缝的抗热裂性。

        3、正确选择焊接方法和焊接参数    采用热能集中的焊接方法可以实现快速焊接,能防止形成方向性强的粗大的柱状晶,因此可以减小热裂纹倾向,例如TIG或MIG焊接时热烈纹倾向比气焊时小得多。

        在焊接参数的选择上,宜选用较小的焊接电流和较慢的焊接速度。因为电流过大不仅使熔池过热、柱状晶粗大,而且会增大熔合比,使热裂纹倾向较大的母材过多地进入焊缝,因而使热裂纹倾向增大;焊接速度过快,则能提高焊缝在结晶过程中的应变速度,也使热裂纹倾向增大。
 
264    为什么铝及铝合金的焊接接头焊后状态一般不能与母材等强度?如何改善?
        工业纯铝和防锈铝在退火状态下焊接,焊接接头强度可以达到母材的95%以上,但在冷作硬化状态下焊接时,接头强度只有母材的70%~ 85%;热处理强化铝合金,除Al-Zn-Mg合金外,在固溶加时效状态下焊接时,接头强度一般只能达到母材的60%~70%;超硬铝的接头只有母材的50%左右。

        铝及铝合金焊接接头软化的原因如下:
        1、非热处理强化铝合金    工业纯铝和防锈铝焊接接头软化的主要原因是热影响区晶粒长大和冷作硬化效果消失。

        工业纯铝中不含有其它合金元素,热影响区晶粒长大最为严重;Al-Mg合金次之;Al-Mn 合金由于存在弥散分布的MnAl6质点,能阻止晶粒长大,晶粒长大倾向最小。

        焊前经过冷作硬化的合金焊接时,热影响区峰值温度超过再结晶温度(200~300℃)的区域发生再结晶过程,使冷作硬化的效果消失。显然,焊前母材冷作硬化程度越高,软化越严重。

        生产中,可以采用能量集中的焊接方法和较小的焊接热输入来减小软化区的宽度和软化程度。

        2、热处理强化铝合金    热处理强化铝合金焊接接头软化的部位有两个,即:焊缝和热影响区。
        焊缝强度低与焊接材料有关。为了防止焊缝产生热裂纹,往往采用化学成分与母材差别比较大而且强度较低的焊丝焊接,加之焊缝为粗大的铸造组织,因此强度比较低。

        热影响区软化主要是在焊接热作用下发生过时效和“回归”造成的。以2Al2(LY12)为例,其焊接热影响区硬度分布如图85所示。可以看出在270~350℃发生“回归”,即一些尺寸较小的G·P区又重新溶入固溶体,使G·P区的强化效果消失。同时,原来与母相保持共格关系的过渡相随着温度升高,变成平衡相的量逐渐增多,产生了过时效现象;在加热为350℃的部位,发生了完全过时效,因此硬度最低;加热为350~500℃的部位,随着温度的升高,在G ·P区发生“回归”的同时,析出相固溶的量逐渐增多,因此,经焊后自然失效以后,强化效果则会逐步增大。

        焊接时,采用能量集中的焊接方法和较小的焊接热输入,可以减轻铝合金的软化程度。此外,如果在退火状态下焊接,然后进行固溶加时效处理,可以改善接头的性能。
 
265    为什么铝及铝合金焊接接头的耐蚀性一般比母材低?如何改善?
        焊接接头的耐蚀性低于母材以热处理强化铝合金尤为严重。铝及铝合金焊接接头耐腐蚀性下降主要与组织不均匀有关,因为组织不均匀,特别是有析出相存在时,能使接头各部位的电极电位不均匀,因而在腐蚀介质中能产生电化学腐蚀。此外,焊缝中的杂质、焊缝的铸态组织、焊接缺陷和焊接应力等也都是导致铝及铝合金耐腐蚀性下降的原因。焊缝杂质越多、焊缝晶粒越粗大、焊接应力越大,焊接接头越容易产生腐蚀,因为杂质Fe、Si在焊缝中易形成FeAl3、α(FeSiAl)等相组成物,不仅会破坏表面氧化膜的致密性,而且与基体的电极电位不同;焊缝的铸态组织晶粒越粗大、越疏松,晶间偏析越大;焊接缺陷能使电解质溶液在缺陷处沉积,并造成应力集中,加速腐蚀过程;焊接应力则是产生应力腐蚀的重要条件之一。 

        生产中,可以采取以下措施来改善焊接接头的耐腐蚀性:
        1)采用能量集中的焊接方法和较小的焊接热输入,防止焊缝和热影响区过热。
        2)采用纯度高的填充金属,提高焊缝组织和成分的均匀性。也可加入变质剂,细化焊缝晶粒。
        3)焊后进行人工时效处理。实践表明,可以使热影响区的成分均匀化,从而使热影响区电极电位均匀化,因而比自然时效的耐腐蚀性高。但应注意不要发生过时效软化。
        4)对铝合金表面采取保护措施,例如阳极化处理、涂漆等。
        5)焊后碾压或锤击焊缝表面,以消除表面的焊接残余应力。
 

 
266   铝及铝合金焊接时产生夹渣、未熔合和未焊透的原因是什么?如何防止?
        铝及铝合金焊接时产生的夹渣有氧化铝夹渣、碳夹渣、熔剂夹渣、钨夹渣、铜夹渣等。其中,氧化铝夹渣是由于焊前没有很好地清除金属表面的氧化铝薄膜造成的,Al2O3熔点高达2050℃,难以熔化,因此进入熔池后易造成夹渣;碳夹渣是碳弧焊时碳的微粒进入熔池造成的;熔剂夹渣是气焊时混入熔池的熔剂没能及时地浮出造成的;钨夹渣是钨极氩弧焊时电极过热熔化,或电极与熔池或焊丝接触造成的;铜夹渣则是熔化极氩弧焊时铜导电嘴过热被烧熔造成的。

        未熔合常在坡口表面、根部表面上产生。其产生原因有:坡口和根部表面上的氧化膜没有很好地清除,妨碍液态金属熔合;焊接热输入不够大;焊枪未对中焊缝中心线等。

        未焊透的原因有:根部焊缝热输入过小;焊缝根部未熔透就填加熔化金属;坡口的钝边过大,或坡口角度过小,或接头间隙过小等。
        生产中,防止产生夹渣的办法有:(1)焊前对坡口和焊丝表面的氧化铝薄膜进行严格的清理;(2)气焊时,采用熔点较低、流动性较好、熔渣容易浮出熔池的含有氯化锂的熔剂;(3)钨极氩弧焊和碳弧焊时,避免电流过大和避免钨极、碳极与焊丝或熔池接触,避免用电极直接在坡口内引弧;(4)熔化极氩弧焊时,避免导电嘴接触不良或过热。

        为防止产生未焊透,可采取以下办法:①严格清除坡口和焊丝表面上的氧化膜;②适当提高焊接热输入,必要时对焊件预热;③钨极氩弧焊时,采用交流电源或直流反接电源,发挥“阴极雾化”作用,消除氧化膜;④焊接时控制电弧始终对准焊线。

        为防止产生未焊透,可以适当增大焊接电流,增强电弧穿透力;双面焊时,对背面进行清根;正确设计坡口形状尺寸等。
 
267    试述铝及铝合金的焊接工艺要点
        由于铝及铝合金质轻、化学性质活泼、导热系数大、线膨胀系数大,在焊接时容易产生气孔、热裂纹、氧化、焊接接头强度降低和耐腐蚀性降低等一系列问题,因此,焊接时,正确地制定焊接工艺就显得十分重要。

        1、焊接方法    大多数焊接方法都可以用来焊接铝及铝合金,例如,气焊、焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊、电子束焊、电阻焊、钎焊等。目前生产中应用最广泛的是钨极氩弧焊(TIG)和熔化极氩弧焊(MIG)。气焊在薄件生产中仍有应用。

        2、焊接材料    焊接铝及铝合金最重要的焊接材料是焊丝,它在很大程度上能决定焊缝的成分、抗裂性、抗腐蚀性以及力学性能。在选择焊丝时应综合考虑各方面的要求。目前应用的焊丝可以分为三类:
        (1)同质焊丝    指与母材成分相同或相近的标准牌号的焊丝,也可从母材上直接切取板条。纯铝、3A21(LF21)、5A03(LF3)、5A06 (LF6)和2A16(LY16)合金均可采用这种焊丝。

        (2)通用焊丝    这种焊丝是为适应抗裂性的要求而设计的。其成分与母材有较大差异,已列入铝焊丝标准,通常适于多种铝合金焊接。例如,SA1Si5焊丝除不适于Mg量较高的合金外,可用于多数铝合金焊接,如硬铝和锻铝等;SAlMg5焊丝可焊接Al-Mg合金,例如5A03(LF3)、5A06(LF6)、7A04(LC4)等,但不适于硬铝焊接。

        (3)特种焊丝    指的是专门为某种铝合金研制的焊丝,均为非标准焊丝。例如,为提高Al -Cu-Mg系硬铝合金接头的抗热裂性研制的B61焊丝;为焊接Al-Zn-Mg合金设计的X5180焊丝等。

        3、焊前准备
        (1)焊前清理    为了获得没有气孔、夹渣、未焊透等缺陷的焊接接头,对焊丝和焊件坡口及其两侧的氧化膜、油污进行严格清理是一项不可缺少的工作。清理工作分两步,第一步是除油污,第二步是除氧化膜。
        1)去除油污    通常采用化学清洗法,用有机溶剂,如汽油、丙酮等进行擦洗。
        2)去除氧化膜    有化学清洗法和机械清洗法两种方法。机械清理法是用钢丝刷(钢丝直径小于0.1~0.15mm)或刮刀去除坡口及其两侧的氧化膜。
        (2)焊前预热    厚度小的焊件不需预热,当厚度超过5~10mm时,为减小变形、减少气孔等缺陷,焊前,应将焊件缓慢地加热到100~300℃ (视不同合金而定)。
        4、焊后清理    留在焊缝及其附近的残存熔剂和焊渣有腐蚀作用,因此焊后应进行清理。方法是:用硬毛刷在热水中仔细洗刷接头,然后在温度为60~80℃、质量分数为2%~3%的铬酐水溶液或重铬酸钾溶液中浸洗5~10min,并用硬毛刷仔细洗刷,再在热水中冲刷洗涤,最后烘干或自然晾干。
 
268    什么是“阴极雾化”作用?铝及铝合金钨极氩弧焊时如何实现“阴极雾化”作用?
        所谓“阴极雾化”作用是指焊接时利用电弧中的正离子轰击焊件和熔池表面,使焊件和熔池表面的氧化膜破碎,从而达到去除氧化膜的作用。铝、镁及其合金由于化学性质活泼,在其表面和熔池表面经常覆盖一层密实、难熔的氧化膜,熔点很高,严重妨碍金属熔化,容易造成未熔合、夹渣、气孔和焊缝表面起皱等,必须彻底清除。清除的办法除了利用化学清洗法和机械清理法外,常常利用“阴极雾化”作用。

        铝及铝合金钨极氩弧焊时可以利用直流反接电源或交流电源来实现“阴极雾化”作用。在直流反接时,焊件接负极,电弧中的氩气被电离成正离子,正离子在电场的作用下,以高速向焊件表面运动,由于正离子质量比较大,因此能够撞碎Al2O3薄膜。直流正接时就不具有这样的作用。但是直流反接时也有一些缺点,就是接正极的钨极产生的热能比负极要多得多,因此容易造成熔化,而焊缝则熔深浅而宽。利用交流电源可以克服这些缺点,因为焊接时电源极性是周期改变的,在交流负极性的半波里会在焊件上产生“阴极雾化作用”,而在交流负极性的半波里又能使钨极得到冷却,两者都能兼顾,因此,现在钨极氩弧焊时多用交流电源,特别是较厚的焊件。

(未完待续)
 
 
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