ZL114A铸造壳体补焊工艺研究.docx

北京星航机电设备厂 弓兴隆摘要 在型号产品的铸造壳体生产中，由于各种原因，导致壳体出现一些缺陷如裂纹、气孔和夹渣等，在设计许可的范围内，可以对这些缺陷清理后进行补焊，消除原有缺陷，以挽救铸造壳体。本工艺研究即从此入 手，通过开展工艺试验，选择了适合 zl114a 铸造壳体补焊的焊接设备和焊丝，总结出可行的工艺参数和操作 方法，编制了工艺规范，同时研究了补焊区域的内部质量。关键词 铸造壳体 补焊 钨极氩弧焊a. 焊丝选择：确定一种适合于 zl114a 材料的氩弧焊焊丝；b. 氩弧焊工艺参数的确定：针对不同母材厚度， 确定电极直径、焊接电流及焊接层数；c. 焊接工艺：研究焊枪的运走方法、焊丝添加方 法、焊缝收弧方法等焊接工艺。1 引言某型号产品弹体主要结构件均为 zl114a 整体铸造壳体。壳体外形高大，内部分布有凸台及筋条，在 实际生产中保证铸造壳体 100%的内部质量和表面质 量合格有较大的难度，因此在国内外各种壳体验收标 准中，除设计不允许补焊的特殊部位外，其它都可以 对缺陷进行补焊，消除某些铸造缺陷，满足使用要求。 本文通过铸造壳体的补焊工艺研究，改善了补焊区域 的内部质量以及补焊区的组织结构，形成专门的铸造 壳体补焊工艺规范。3 研究方案非壳体类铸件补焊试验3.1缺陷部位 2 关键技术2.1 技术难点a. 补焊区域的技术标准要求高：zl114a 采用的 技术条件高强度铝合金优质铸件（hb548091） 等效采用美国军标 mil-a-21180高强度铝合金铸 件，该标准对铸件存在缺陷部位补焊后内部质量的 技术要求等同于铸态，不允许降低；b. 产品结构复杂，焊接工艺性差：整体铸造壳体 结构复杂，以某重点型号的壳体 a 为例：基本外形尺 寸 570mm1410mm，基本壁厚为 3mm 或 3.5mm， 凸台厚度达 30mm，厚薄比 10:1，而厚薄比大的铸件 焊接工艺性差，易出现焊接缺陷。2.2 关键技术图 1 支架缺陷部位为了使焊工熟悉氩弧焊机的性能，总结焊接工艺有关参数，首先进行了非壳体类铸件的补焊工艺试 验。选用的铸件是某型号的支架铸件，该支架系重要 件（如图 1），但有时在局部出现皮下缩松缺陷，由于收稿日期 ： 2 005 - 10- 1152005 年 12 月第 6 期航天制造技术此部位为非 x 射线检查区，经常在精加工阶段才将缺陷反映出来，如果补焊合格，零件就可投入使用。为 此，选择对存在缺陷的支架进行补焊。3.1.1 焊前清理由于氩弧焊对材料的表面质量要求很高，焊前必 须对施焊区经过严格清理，清除工件坡口及坡口两侧 表面至少 20mm 范围内的油污、水分、灰尘、氧化膜 等。否则在焊接过程中将影响电弧的稳定性，恶化焊 缝成形，并可能导致气孔、夹杂、未熔合等缺陷。常 用清理方法有机械清理和化学清理，机械清理效率较 低，去除氧化膜不彻底；化学清理效果较好，但化学 清理液的配置及保存较复杂，本工艺研究选用了机械 清理。清理工具根据缺陷情况选用不锈钢丝刷、刮刀 或风铣刀。把支架缺陷部位的缩松缺陷清理干净，要 求通过机械清理，能够看到缺陷部位基体光亮的表 面。3.1.2 补焊层数支架的缺陷部位经清理后，有的坡口深度较浅， 只有 2mm 左右，有的坡口深度达到 10mm。氩弧焊的 特点是深溶能力较弱。因此，我们对于不同坡口深度 的支架，做了焊接试验，通过焊接时观察熔池状况以 及焊后对补焊部位的 x 射线照相检查，得出结果如 下：坡口深度在 14mm 时，可采用单层焊法。当深 度大于 4mm 时，需开坡口实施多层焊，以保证补焊 效果。3.1.3 补焊区内部质量分析主要缺陷为气孔和夹渣。对焊缝区有气孔的试样做金相分析，同时选取铸态的组织和焊缝区无气孔缺陷的 金相组织对比，如图 25。图 2 和图 3 分别为正常的 铸态组织和补焊区组织，从显微组织可以看出，正常 的补焊区组织晶粒均匀，晶界规则。从图 5 近缝区显 微组织看出，此处的晶粒比正常的铸态组织明显粗 大。有可能导致力学性能降低。经 x 射线照相检查补 焊区气孔在金相上的反映是深色的圆形孔洞，如图 4 所示。图 3 正常的补焊区组织气孔 图 4补焊区气孔图 2 正常的铸态组织为了观察补焊区的内部质量，对补焊区域切取了本体试样做 x 射线照相检查和金相分析试验。送检试 样共计 12 块，x 射线检查合格 9 块，合格率 75%，图 5近缝区显微组织气孔是铝合金焊缝内的常见缺陷，补焊时，焊件6航天制造技术2005 年 12 月第 6 期 温度低，补焊焊缝短，起弧熄弧间距小，补焊操作不便，熔池冷却速度快，极易产生气孔。据有关研究证 明，气孔内的气体主要是氢。铝合金在焊接时的氢源 很多，补焊时氢源主要有铸件及焊丝表层的含水氧化 膜及油污、汗渍等类碳氢化合物；惰性气体内所含的 杂质和水分；母材及焊丝自身所含的气体（氢）以及 潮湿的施焊环境。补焊时如果氢进入熔池，氢在液态 金属熔池内的溶解度大，但冷凝时氢在低温液态金属 及固态金属内的溶解度小。当熔池凝固时，氢的溶解 度突然减小，遂通过气泡成核、长大、上浮三个步骤 而逸出熔池表面或残留于凝固的焊缝金属内，视焊缝 的冷却速度和氢气泡的上浮速度而定。如焊接速度和 焊缝的冷却速度较慢，熔池存在的时间较长，氢气泡 即可能得以上浮并逸出熔池表面，否则氢气泡将滞留 在焊缝内部，形成焊缝气孔。因此，控制焊缝气孔， 可从两方面着手：一是尽量避免氢在焊接过程中溶入 熔池；另一方面是采取合适的工艺措施，使已经进入 熔池中的氢得以逸出。为减少或避免补焊时气孔的产生，采取的具体措 施如下：a. 补焊前，必须先检测原有缺陷的准确位置，采 取逐步清理的办法将缺陷清除干净，避免过分深挖， 为确保缺陷完全排除，视情况对清理后的待补焊区安 排一次工艺性 x 射线照相检查，验证缺陷的排除程 度。采用机械清理的方法仔细清理铸件待补焊区表 面，以去除油污及含水氧化膜。铸件在清理后，用干 燥、洁净、不起毛的织物或聚乙烯薄膜胶带将坡口及 其邻近区域覆盖好，防止其随后污染。必要时在临焊 前再用洁净的刮刀刮削坡口表面，继而用焊枪向坡口 吹氩气，吹除坡口内的刮屑，然后施焊；b. 指定一间专门的工作室为补焊操作间，控制其 湿度不超过 50%，环境温度不超过 25，工作间内禁 放杂物，保持现场的整齐清洁。要求补焊操作工的工 作服上不得有油污，在补焊前清理手上的汗迹和油 迹；c. 焊前预热并减缓散热，此项措施有利于减缓熔 池冷却速度，延长熔池存在时间，便于氢气泡逸出， 免除或减少焊缝气孔。预热采用在补焊处局部加热的 办法，预热温度约为 100；d. 优选补焊工艺参数，通过降低电弧电压，增大焊接电流，降低焊接速度，来减小焊接熔池内溶解的含氢量，延长液态熔池存在时间，减缓熔池冷却速度， 以便于氢气泡析出，减少焊缝气孔；e. 另外，补焊过程对焊缝气孔的预防在很大程度 上取决于焊工的操作技能，焊工应善于观察焊接熔池 状态转化过程和气泡产生及逸出情况，切忌盲目追求 高焊接速度，视熔池状态调节操作手法，以利气泡逸 出。通过采取以上措施，大幅度减少了补焊区的气孔 缺陷，在后续的补焊试验及壳体补焊中，气孔成为了 次要缺陷，极少出现。对夹渣缺陷的分析：由于在补焊前已经仔细清理 了待补焊区域，又是采用了纯度较高的进口 er4043 焊丝，消除了氧化渣的来源，在对 x 射线底片的夹渣 缺陷分析后，认为判定的夹渣实为钨极夹渣，钨极夹 渣在底片上呈白色不规则的斑点和块状，分布在焊缝 上。钨极夹渣的来源主要是焊工在补焊时，焊枪不稳， 碰到了母材或焊丝，产生飞溅，落入熔池造成夹渣。 经分析，焊工为清理工兼职，当清理完铸件马上开始 补焊操作时，肌肉有时会痉挛，导致补焊手法不稳。 为了避免钨极夹渣，要求焊工尽量在放松的情况下补 焊，不得疲劳作业。在操作时，注意焊接手法，保持 焊枪的稳定性，切忌将焊枪与焊丝和母材接触。经验 证，上述原因分析正确，在随后的补焊中，钨极夹渣 缺陷明显减少。3.2 壳体的补焊试验工艺研究的最终目的是总结出行之有效的补焊 工艺，应用于铸造壳体的缺陷修补。因此在完成非壳 体类铸件的补焊试验后，又进行了铸造壳体缺陷的补 焊试验，试验选取了因其它原因报废的 zl114a 壳体， 由于在非壳体类铸件的试验中已经总结出了避免气 孔出现的工艺措施，因而在补焊试验后的检测中，出 现的主要补焊缺陷是裂纹，少数是气孔。zl114a 中含有硅和镁，在焊接时有较强的裂纹 倾向，易生成焊缝金属结晶裂纹和近缝区母材液化裂 纹，工艺研究所采用的焊丝 er4043（salsi-1）抗热 裂性很好，形成焊缝金属的延性也较好，用于钨极氩 弧焊时，能有效防止焊缝金属结晶裂纹，但该焊丝防 止近缝区母材液化裂纹能力较差。这是因为 er4043 属铝硅合金焊丝，其固相线温度为 577，而母材72005 年 12 月第 6 期航天制造技术zl114a 晶界上的低熔点共晶体液化或凝固时的最低温度为 557，当焊丝成分在坡口焊缝成分中占主导 地位，焊接过程中焊缝金属结束冷却凝固时，近缝区 母材晶界可能仍滞留在液化状态，焊接收缩应变即可 能集中并作用于近缝母材，将其液化晶界撕裂成液化 裂纹。为了防止裂纹的产生，对于结构设计裂纹倾向大 的铸件，采取措施如下：开始补焊时，对铸件待补焊 区实施局部 100150下预热，对于已经半精加工或 精加工完成的壳体，壁厚通常只有 2.5mm 左右，此类 薄壁壳体不宜实施预热，但焊缝体积小，可预热焊缝 垫板，使其温度达到 5060，以减小熔池的冷却速 度。焊接完成后，对焊缝部位实施局部缓冷措施，以 避免产生裂纹。另据资料介绍，bj-380a(al-5si-2cu-ti-b)焊丝基 本上继承了 er4043（salsi-1）焊丝的主要成分，又 添加了有利于降低合金固相线温度的 w（cu）2%及适量 细化晶粒组织作用更强的钛及硼（钛与硼的含量比例 保持为 5:1）。cu 的加入使 bj-380a 焊丝的固相线温 度降为 540，比 salsi-1 焊丝的固相线温度 577降 低了 37，接近母材的固相线温度，因此该焊丝可有 效防止近缝区母材液化裂纹。3.3 补焊工艺参数的确定3.3.1 氩弧焊机补焊工艺参数钨极氩弧焊的工艺参数主要有焊接电流、钨极直 径等。焊接电流的大小是决定焊缝熔深的最主要参数， 它主要根据工件材料、厚度、接头形式、焊接位置， 有时还考虑焊工技术水平等因素来选择，我们在补焊 时考虑到铸件或舱体的补焊部位厚度，一般焊接电流 选择见表 1。表 1。钨极端部形状是一个重要工艺参数，交流电选用的钨极端部形状见图 6 所示。图 6钨极端部的形状焊接速度的选择主要根据补焊工件的厚度以及焊接电流、预热温度等因素。目的是保证获得所需的 熔深和熔宽。喷嘴与工件的距离也要适当，如果距离大，则气 体的保护效果差，但距离太近会影响焊工视线，且容 易使钨极与熔池接触而短路，产生夹钨，一般喷嘴端 部与工件的距离在 814mm 之间。3.3.2 氩弧焊操作技术氩弧焊一般采用左焊法，补焊时，焊枪、焊丝和 铸件之间必须保持正确的相对位置，焊丝与铸件间的 角度不宜过大，否则会扰乱电弧和气流的稳定。送丝 可以采用断续送进和连续送进两种方法。要绝对防止 焊丝与高温的钨极接触，以免钨极被污染、烧损，电 弧稳定性被破坏。断续送丝时要防止焊丝端部移出气 体保护区而氧化。在对壳体的径向环缝补焊时，焊枪 应逆旋转方向偏离铸件中心线一定距离，以便于送丝 和保证焊缝的良好成形。3.4 焊缝缺陷补焊如果补焊区域经 x 射线照相检查发现焊缝内部 存在缺陷，并且缺陷超过有关文件规定，可用扁錾錾 除或用钻头钻掉，再进行 x 射线照相检查，如缺陷排 除就可以补焊。一般而言，zl114a 焊缝产生的缺陷 是在焊漏上，用扁錾錾平焊瘤与铸件基本面齐平，然 后经 x 射线照相检查，如果缺陷排除就不用补焊。如 缺陷仍存在，应从焊缝外面进行錾切或用钻头把缺陷 钻掉，然后进行补焊。补焊焊接缺陷的电流同焊接电 流，补焊时引弧要离开补焊处 510mm，引弧后加焊 丝要一点一点落入熔池，将补焊处填满后收弧，要注 意应离开补焊处 3050mm 直到看不见熔池后断弧。表 1 焊接电流与电极直径的对应关系钨极直径根据焊接电流大小及电流种类选择，铝合金焊接一般选用交流电。钨极直径的确定可以参照8母材厚度/mm电极直径/mm焊接电流/a21.64580262.4801806123.218026012205260350航天制造技术2005 年 12 月第 6 期 3.5补焊工艺流程zl114a 铸造壳体补焊工艺流程如图 8。可以补焊 满足补焊要求图8 zl114a 铸造壳体补焊工艺流程品。涉及到的缺陷有缩孔、气孔、裂纹等，按有关型号产品验收技术条件，补焊后一般要求进行 x 射线照 相检查，观察补焊区域的内部质量，以此来判定补焊 是否合格。经统计，壳体补焊合格率达到 76%，并且 大大减少了原来常见的气孔这一补焊缺陷，裂纹出现 的次数也显著减少。补焊结果如表 2。经过工艺研究，课题组采用新技术、新设备，探 索了工艺新方法，较好地完成了研究任务。主要表现 在四个方面：a. 确定了补焊专用设备钨极氩弧焊机，选定了适 用于 zl114a 材质的专用焊丝；b. 总结出补焊工艺参数，编制完成了铸件补焊 工艺规范；c. 补焊一次合格率达到 75%，达到了工艺研究原 定目标；d. 在设计允许的范围内补焊有缺陷的铸造壳体， 铸件的交付率显著提高，节约了生产成本，缩短