可熱處理強化鋁合金裂紋的焊接修復技術

李麗丹

四川機電職業技術學院 四川攀枝花 617000

1 序言

目前，不可熱處理強化鋁合金的應用較為廣泛，如鋁鎂（Al-Mg）合金系、鋁硅（Al-Si）合金系、鋁錳（Al-Mn）合金系，它們具有良好的塑性、耐蝕性和較好的焊接性，但強度、硬度較低。隨著工業技術的發展，生產設備中可熱處理強化鋁合金的應用也逐漸增多，如鍛造鋁合金、硬鋁合金、超硬鋁合金及大部分鑄造鋁合金等，相比不可熱處理強化鋁合金，它們具有一定的耐蝕性，還具有較高的強度和硬度，但焊接性較差。攀鋼棒線材廠QF500冷剪機離合器上鑄造鋁合金定位壓板（材質：ZL110）生產過程中產生多處裂紋，由于沒有備件，導致棒線材廠因設備無法正常運行而停產，現需要焊接修復，保證設備正常運轉。

目前，國內外對可熱處理強化鋁合金裂紋的焊接修復技術研究較少，遇到可熱處理強化鋁合金設備部件出現問題時，由于焊接修復工藝不配套，導致可熱處理強化鋁合金設備因不能及時處理而帶來較大的經濟損失。為確保設備的正常生產運行，減少經濟損失，需研究可熱處理強化鋁合金材料的焊接方法、焊接材料、裂紋修復工藝及措施。

2 ZL110鋁合金化學成分及性能分析

攀鋼棒線材廠QF500冷剪機離合器上鑄造鋁合金定位壓板，材質為ZL110，名稱為ZAlSi5Cu6Mg，屬于可熱處理強化鋁合金，化學成分[1]見表1。ZL110抗拉強度≥165MPa，硬度≥90HBW，可經熱處理強化，塑性低，硬度高，高溫性能良好。

表1 ZL110化學成分（質量分數） （%）

3 鋁合金焊接性能分析

可熱處理強化鋁合金[2]有：硬鋁Al-Cu-Mg系，超硬鋁Al-Cu-Mg-Zn系，鍛鋁Al-Mg-Si-Cu系、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系，鑄造鋁銅合金Al-Cu系，鑄造鋁鋅合金Al-Zn系，鑄造特殊鋁硅合金Al-Si-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg-Cu系、Al-Si-Mg-Cu-Ni系，特殊鋁鋰合金系包括Al-Li-Cu-Mg-Zr、Al-Mg-Li-Zr、Al-Mg-Li-Zr-Sc、Al-Cu-Li-Ag-Zr。它們是通過熱處理來顯著提高其力學性能的，熱處理強化在于固溶和時效，時效的含義是析出了強化相。因可熱處理強化鋁合金的強化是以Al與合金元素之間形成的金屬間化合物溶解在固溶體中的溶解度為基礎的，就是Zn、Mg、Cu、Si四種主要元素與Al組成的二元化合物和三元化合物，在Al中的溶解度能隨溫度的降低而劇烈減少，析出了強化相，所以這類鋁合金可通過熱處理來提高力學性能。ZAlSi5Cu6Mg就是屬于鑄造特殊鋁硅合金A l-S i-M g-C u系。一般情況經熱處理強化后鑄造鋁合金的抗拉強度為225～470MPa，鍛鋁的抗拉強度≥355MPa，硬鋁的抗拉強度為205～420MPa，超硬鋁的抗拉強度＞400MPa。

現對ZL110焊接性能分析如下[3]。

（1）焊接時極易氧化 在空氣中，鋁容易與氧化合生成致密的Al2O3薄膜（厚度為0.1～0.2mm），熔點高（約2050℃），遠超過鋁及鋁合金的熔點（約650℃左右）。氧化鋁的密度3.95～4.10g/cm3，約為鋁的1.4倍。氧化鋁薄膜的表面易吸附水分，焊接時它阻礙基體金屬的熔合，極易形成氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，引起焊縫性能下降。因此，焊接時最好選擇惰性氣體保護焊方法，可防止氧化和缺陷的產生。

（2）焊縫中易產生氣孔 鋁合金焊接時產生氣孔的主要原因是氫，由于液態鋁可溶解大量的氫，而固態鋁幾乎不溶解氫，因此當熔池溫度快速冷卻與凝固時，氫來不及逸出，容易在焊縫中聚集形成氣孔。可采用小電流慢速焊，加大焊縫冷卻時間等措施，能較好地幫助氣體排出熔池。

（3）鋁的導熱系數大 鋁及鋁合金的導熱系數約為鋼的4倍，因此焊接鋁及鋁合金時，比焊接鋼要消耗更多的熱量，故宜選用熱能集中的焊接方法。

（4）合金元素的蒸發和燒損 鋁合金中含有低沸點元素（如鎂、鋅、錳等），在高溫電弧作用下極易蒸發燒損，從而改變焊縫金屬的化學成分，使焊縫性能下降。焊接時應選擇保護效果好、合金過渡系數高的焊接方法，并采取小焊接電流等防止合金元素的蒸發和燒損。

（5）焊縫變形和熱裂紋傾向大 由于鋁的線膨脹系數和結晶收縮率約比鋼大兩倍，因此易產生較大的焊接變形和內應力，對剛性較大的結構會促使熱裂紋的產生。鋁合金焊接時產生的熱裂紋大部分為結晶裂紋，有時在近縫區也可能出現液化裂紋，而硬鋁及大部分可熱處理強化鋁合金，產生熱裂紋的傾向較大，在焊縫拘束的情況下更易開裂。

（6）焊接接頭容易軟化 可熱處理強化鋁合金在熱處理狀態下焊接時，熱影響區會發生第二相脫溶析出的過時效，造成局部軟化。一般情況下，當熱影響區溫度≥200℃時，就逐步脫溶析出平衡相，強化效果消失，即發生過時效；當溫度達到350℃后，析出相將逐漸向固溶體溶解而形成固溶狀態，強化效果完全消失。因此，焊接時應選擇熱能集中的焊接方法和熱輸入量小的焊接參數，以控制熱影響區溫度。

（7）焊接接頭的耐蝕性低于母材 可熱處理強化鋁合金焊接接頭的耐蝕性降低較明顯，接頭組織越不均勻，耐蝕性越易降低。焊縫金屬的純度或致密性也影響接頭的耐蝕性。雜質較多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蝕性就會明顯下降，此外對于鋁合金，焊接應力的存在也是影響耐蝕性的一個重要因素。

4 可熱處理強化鋁合金ZL110裂紋修復的焊接問題

由于焊接裂紋處往往都是處于拘束狀態下的焊縫，焊后焊縫不能自由地收縮，受到兩側母材的牽制，收縮過程中焊縫將受到兩側的拉應力作用，在焊縫中易出現裂紋。因鋁合金的線膨脹系數約為鋼的2倍，熱脹冷縮比鋼大，焊接過程中產生的收縮拉應力比鋼大，相比更容易產生裂紋，所以當可熱處理強化鋁合金ZL110焊接時，應考慮選擇抗裂性好的焊接材料，工藝上應采取能防止和消除焊接應力的措施等，以防止焊縫中產生裂紋。如果裂紋焊接修復后，還殘留有應力集中點，設備在運行過程中受交變載荷的作用下，還會在應力集中處產生疲勞裂紋。因此，對可熱處理強化鋁合金產生的裂紋進行焊接修復時，消除焊接應力和防止產生應力集中必須采取合理有效的工藝措施。

5 焊接方法的選擇

鋁合金的焊接方法較多，如氧乙炔焊和焊條電弧焊的鋁合金焊接接頭質量較差、熱影響區又較寬，對焊縫質量有要求時都不能采用；等離子弧焊和攪拌摩擦焊等需采購特殊的焊接設備，成本高；結合裂紋修復的實際情況，可選擇手工鎢極氬弧焊或熔化極惰性氣體保護焊，由于熔化極惰性氣體保護焊焊接可熱處理強化鋁合金時質量控制相比手工鎢極氬弧焊難度大，且產生氣孔的傾向也比手工鎢極氬弧焊大。所以，宜選擇脈沖手工鎢極氬弧焊方法來焊接修復可熱處理強化鋁合金產生的裂紋缺陷。脈沖手工鎢極氬弧焊方法設備簡單，操作靈活方便；氬氣保護效果好，合金過渡系數高；氬氣沖刷焊接接頭表面還有一定的冷卻作用；利用脈沖電弧，熱量比較集中，熱影響區窄，且受溫度影響小；焊縫金屬致密，接頭的強度和塑性高，可獲得滿意的優質接頭[4]。

6 鋁合金ZL110焊接材料的選擇

一般情況下，焊接鋁及鋁合金都采用與母材成分相同或相近牌號的焊絲，這樣可以獲得較好的耐蝕性；選用熔化溫度低于母材的焊縫金屬，可以減少焊縫金屬和熱影響區的裂紋敏感性。但可熱處理強化鋁合金焊接時，由于熱裂紋傾向大和焊接接頭的軟化現象，因此焊接材料的選擇應根據接頭的抗裂性、力學性能及耐腐蝕性能等綜合考慮。

通過分析合金元素對可熱處理強化鋁合金性能的影響，結合可熱處理強化鋁合金的焊接問題，研究選擇適用于焊接可熱處理強化鋁合金ZL110裂紋的焊接材料，宜選用硅含量較高的鋁合金焊絲ER4043，它是一種通用性較大的鋁硅合金焊絲。由于焊絲的熔化溫度為573～625℃，因此熔敷金屬的流動性好，母材焊接變形小，有助于減少熱裂紋的產生，且具有較好的耐蝕性和較高的強度，適合焊接各種鑄造及擠壓成形的鋁合金，特別是對易產生熱裂紋的可熱處理強化鋁合金的焊接，可獲得較好的效果。熔敷金屬化學成分和力學性能分別見表2、表3。但在焊接鎂含量較高（wMg＞2%）的鋁合金時（如超硬鋁），焊縫中易生成脆性的Mg2Si化合物，使接頭的塑性和耐蝕性降低。因此，進一步分析研究焊接鎂含量較高的鋁合金時，宜選擇ER5183焊絲，其化學成分和力學性能見表4、表5。因硅含量較少，該焊接材料還具有優良的焊接工藝性能，焊縫成形美觀。

表2 ER4043焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 ER5183焊絲化學成分（質量分數） （%）

表5 ER5183焊絲熔敷金屬力學性能

7 工藝實施

1）用硬質合金砂輪片或旋轉銼清除裂紋缺陷，并在裂紋處修磨60°的坡口，再用不銹鋼絲刷清除坡口面及兩側15～20mm內的氧化鋁膜，直至露出金屬光澤。

2）焊接設備選用功率在315A以上的脈沖手工鎢極氬弧交流焊機。保護氣體選擇高純氬（氬氣純度99.999%）。

3）焊接厚度≤10mm時采取多層焊接，厚度＞10mm時應采取多層多道焊。

4）由于鋁合金的導熱系數大（約為鋼的4倍），當焊件較大或厚度≥10mm時，可焊前預熱100～150℃，以除去母材中的水分，并提高焊縫升溫速度，降低冷卻速度，有利于防止氫氣孔的產生。

5）脈沖手工鎢極氬弧焊焊接參數見表6。

表6 脈沖手工鎢極氬弧焊焊接參數

6）焊接過程中控制層間或道間溫度等于或略高于預熱溫度，以防焊接接頭溫度過高、增大熱影響區寬度。

7）每層或每道間焊接前，應用不銹鋼絲刷清除上一道或上一層表面的氧化膜，以防氧化膜進入焊縫形成夾雜。

8）根據裂紋產生的位置和長短，分別采取不同的分段退焊法或分段間段退焊法（見圖1），以減少焊接應力，使應力分布較均勻，防止因應力集中而產生裂紋。

圖1 焊接修復裂紋缺陷的順序

9）底層和中間層每一段焊后立即用帶圓頭的小鐵錘在焊道表面進行錘擊（小鐵錘重0.5kg，圓頭直徑6mm），先錘擊焊道中間再錘擊焊道與母材的結合處，達到布滿麻點為止，可消除焊接接頭的較多應力，細化晶粒，并將拉應力狀態變為壓應力，有利于防止焊縫裂紋產生。蓋面層完成后立即用木錘在焊縫和兩側進行錘擊（木錘重0.5kg，圓柱形，錘擊端略帶小弧度），可降低焊接部位殘余應力，強化焊接接頭。

10）焊縫冷卻到室溫后，修磨焊縫表面余高或凸度不超過2mm，焊縫與母材結合處過渡圓滑，以提高焊接接頭抗疲勞強度。修復完成的鑄造鋁合金定位壓板如圖2所示。

圖2 修復完成的鑄造鋁合金定位壓板

8 焊后熱處理

鋁合金ZL110焊后熱影響區性能弱化，對于可熱處理強化鋁合金，在焊后可以重新進行熱處理，使基體金屬熱影響區的強度恢復到接近原來的強度。一般情況下，接頭破壞處都是在薄弱的熔化區內。在重新進行焊后熱處理后，焊縫金屬所獲得的強度主要取決于使用的填充金屬。填充金屬與基體金屬的成分不同時，強度將取決于填充金屬對基體金屬的稀釋度。

雖然焊后熱處理增加了強度，但對焊縫的韌性可能出現某些損失。由于焊縫附近熔化區的沉淀和晶界的熔化，因此使熱處理強化鋁合金的某些焊件的韌性很差。假使情況不太嚴重，焊后熱處理可以使可溶的成分重性溶解，得到更均勻的結構，對韌性稍微有改善，并會較大地增加強度[5]。

9 結束語

1）焊接修復可熱處理強化鋁合金裂紋宜選擇脈沖手工鎢極氬弧焊機，可有效控制熱輸入量，熱影響區受溫度的影響小，能降低可熱處理強化鋁合金熱影響區金屬軟化的傾向。

2）可熱處理強化鋁合金的焊接裂紋缺陷修復時，可分別選擇兩種焊接材料（ER4043和ER5183焊絲）來焊接，其中ER5183焊絲是用來焊接wMg＞2%的可熱處理強化鋁合金。它們具有較好的耐蝕性和較高的強度，母材焊接變形小、抗裂性好，都能保證焊縫的使用性能和要求，解決了不同的可熱處理強化鋁合金焊接材料選擇難的問題。

3）可熱處理強化鋁合金的裂紋焊接修復過程中，打底層和填充層采用帶圓頭的小鐵錘在焊道表面進行錘擊，蓋面層焊縫表面和兩側母材用木錘進行錘擊，可消除焊接接頭的較多應力、細化晶粒，以及降低焊接部位應力集中，強化焊接接頭，能有效地防止焊接接頭裂紋產生。