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城际动车组铝合金车体焊缝内在缺陷产生机理

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-14   来源:广东南奥交通设备有限公司   作者:杨贤群
本文利用焊接接头的宏观断面检测,分析了铝合金车体焊缝内部常见的5种焊接缺陷,通过对每种缺陷的产生机理分析,对每种缺陷的预防提出针对性的措施。
前    言
        铝合金因其轻量化、良好的挤压性能、高回收利用率等优点,被广泛应用于动车车体的制造,铝合金较碳钢材料具有熔点低、导热导电率高、膨胀收缩率大、合金元素含量高等特点,在焊接时更容易产生焊接缺陷。常见的缺陷可分为两大类:焊缝外在缺陷和内在缺陷。外在缺陷又分为外观不良和尺寸超差两部分。外在缺陷可通过目视(VT)发现,并能得到及时处理。内在缺陷却隐藏于焊缝内部,不能通过肉眼观察,只能通过观测宏观金相、PT渗透检查或RT射线探伤检查发现。内在缺陷主要有裂纹、气孔、未熔合、夹渣、未焊透等。因此,内在缺陷更不易被发现,潜在危害性更大。
 
1    焊缝裂纹
1.1    焊缝裂纹分类
        铝合金焊接时容易产生焊接裂纹,常见形式有结晶裂纹和晶间液化裂纹。铝合金焊接裂纹是在焊缝金属结晶过程中产生的,称为热裂纹,又称结晶裂纹,其形式有纵向裂纹、横向裂纹(往往扩展到母材)、根部裂纹、弧坑裂纹等。焊接时近焊缝区金属或层间金属受热时晶界上的低熔共晶被重新熔化,在拉伸应力作用下沿晶界开裂形成液化裂纹。如图1~图4所示。

        在所有铝合金常见的焊接缺陷中,焊接裂纹出现的概率并不高,但裂纹对铝合金车体的危害是最严重的。裂纹不仅使车体结构强度降低,而且列车的高频动载容易造成裂纹扩展从而引起整个结构的疲劳破坏,后果不堪设想。JIS Z3105中规定:焊缝一旦出现裂纹,无论裂纹多么微小,焊缝均被评为IV级,因此裂纹是完全不允许的。在ISO10042中则不允许出现除微裂纹(通常在显微镜50下才可见的裂纹)和弧坑裂纹以外的裂纹。

1.2    产生机理及预防措施
1.2.1    焊接工艺规范的选取要控制焊接线能量,避免热输入过大及过小;
1.2.2    焊道的起止端容易产生焊接裂纹,可以采用引弧板和熄弧板来消除焊接裂纹。另外也要提高起弧和收弧的处理技能;焊缝末端的弧坑要填满,启动焊机的收弧衰减功能,减慢焊缝冷却速度;
1.2.3    优化焊接工艺,调整焊接顺序、减小焊接变形或采取预热等辅助工艺措施;
1.2.4    层间温度的控制,多层焊时层间温度不宜过高,要控制在70℃以下;
1.2.5    厚板焊接时背部清根处理不宜过深,尽量不超过板厚的一半;
1.2.6    保持稳定的电弧燃烧,尽量避免不连续或不均匀的焊缝;
1.2.7    导电嘴烧损时,铜的熔入极易产生裂纹,要将此部分的焊缝金属清除,重新焊接;
1.2.8    焊丝成分与母材不匹配,通过焊接性试验保证焊丝与母材合理匹配;国产铝合金焊丝裂纹倾向严重,铝合金材料晶粒度不均匀,材料中S、P杂质元素以及低熔共晶化合物含量偏高,造成焊缝区金属产生结晶裂纹,热影响区母材金属产生晶间液化裂纹;
1.2.9    补焊次数过多,反复修补导致热裂纹。

2    气孔
2.1    气孔的分类
        在铝合金MIG焊中,气孔是最常见的一种缺陷。要彻底清除焊缝中的气孔是很难做到的,只能是最大限度减少其含量。按其种类,铝合金焊缝的气孔主要有表面气孔、弥散气孔、局部密集气孔、单个大气孔、根部链状气孔、柱状气孔等。气孔不但会降低焊缝的致密性,减少接头的承载面积,而且使焊接的强度、塑性降低,特别是降低冷弯和冲击韧性,必须加以防止。通过VT、PT、RT发现表面和内部气孔。如图5~图6所示。
2.2    产生机理及预防措施
2.2.1    大气中的绝对湿度过大,目前是气孔产生重要的影响因素;湿度不能超过65%,特别是南方的天气相对潮湿,铝合金焊接车间应使用恒温除湿系统并实行全封闭管理,控制湿度。
2.2.2    焊丝受潮、焊件焊前未清理是产生焊接气孔的第二大影响因素,焊丝领取时保持密封,焊前应烘干,烘干温度为120℃,保温2h后使用;未用完的焊丝重新放回烘干箱;
2.2.3    送丝不畅导致保护气体流动产生紊流,气体保护不良以及保护气体不纯是产生焊接气孔的第三大因素,保证保护气体质量,要加强对气体供应厂家的质量监控,按照标准GB/T 10624定期对保护气体纯度进行检测,同时要保证气体传输管道的清洁,定期对管路进行清洗,适当增加气体流量,焊接区要防止空气流动。
2.2.4    电弧不稳、电弧过长,应适当减少电弧长度。
2.2.5    焊丝干伸长过大,导致喷嘴与焊件距离过大,控制焊丝干伸长不超过10mm。
2.2.6    坡口型式选择不当,增加坡口钝边尺寸,增大焊缝金属中母材金属含量,加大电流使焊缝金属中焊丝比例下降,厚板焊接时焊枪前后摆动,搅动熔池,使气体在金属凝固前释放出去。
2.2.7    在同一部位重复起弧,接头处容易产生气孔。


 
 
3    熔合不良
3.1    产生机理
        铝合金焊接容易产生熔合不良,其产生机理主要是:
        铝合金材料热传导性太好,同时表面有一层致密氧化物薄膜,焊缝熔化困难;铝合金焊接采用的是脉冲MIG焊且常采用热量值低的氩气保护,易形成指形熔池,产生熔合不良缺陷。如图7~图10所示。


 
3.2    产生原因及预防措施
3.2.1    焊接部位氧化膜未清理干净,焊前仔细清理表面氧化膜;
3.2.2    热输入不足,焊前预热或提高焊接电流、电弧电压,减少焊接速度;
3.2.3    焊接操作技术不当,改进焊枪运条方式,在坡口面上有瞬间停歇,焊丝保持在熔池前沿,提高焊工技能;
3.2.4    坡口型式或尺寸不合适,应调整坡口型式或尺寸。
3.2.5    针对大于3mm厚的铝合金板材或型材的焊接,可考虑用30%氩气+70%氦气作保护气体,以提高电弧温度和能量密度,避免形成指状熔池。
        如图11所示,本公司在做这种型腔结构的焊接时,因腔内空间狭小,焊缝根部无法修磨,要求焊缝根部一次性成形,在用100%Ar气作保护气体多次失败的情况下,后改用30%氩气+70% 氦气作保护气体,焊缝背部成形良好,同时通过该断面观察,指状熔深消除。如图12所示。
 
4    夹渣
4.1    产生机理
        焊道表面焊前清理不彻底,焊缝金属中的高熔点氧化物薄膜来不及被还原,残留在焊缝组织中形成夹渣。如图13~图14所示。
4.2    预防措施
4.2.1    焊道清理干净,特别是多层多道焊时,每层焊道都要清理;
4.2.2    焊接电流过大,导致导电嘴局部熔化混入熔池形成夹渣,因此在保证熔透的前提下,适当减小电流,大电流焊接时,导电嘴不要压得过低。
 
5    未焊透
        铝的导电性和导热性为低碳钢的5倍,焊接时需要更高的线能量,焊接电源产生的热量很快地由母材疏导出去,因此铝合金焊接热量不易集中,易产生未焊透缺陷。如图15~图16所示。
        产生原因及预防:
        (1)焊接速度过快、电弧过长,应压低电弧,减少焊接速度;
        (2)坡口加工不当、装配间隙过小,应适当减少钝边或增加根部间隙;
        (3)焊接技术较低、操作姿势不当,应调整焊接角度,保证焊接时获得最大熔深,电弧始终保持在焊接熔池前沿;
        (4)焊接规范过小,增加焊接参数,保证母材获得足够的热输入;
        (5)焊接电流不稳定,应增加稳压电源装置或避开用电高峰。

 
 
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