铝合金焊接问答二.docx

铝合金焊接问答二问：常常有人问我铝合金构件是否可以进行焊接修复，如果可以修复，焊接时候应该首要考虑哪些问题？回答：铝合金的弧焊修复很有意思，今天我们就来讲解下成功实现铝合金部件焊接修复时应考虑的因素，这些因素主要集中在以下几个方面：1. 材料的识别：母材的类型及所选用的焊材种类（如果修复的部位是焊缝）2. 哪种类型的铝合金不适用于电弧焊接修复3. 适合修复用的焊材种类4. 焊接修复前需要材料的准备工作5. 电弧焊接修复后母材基体强度下降的程度6. 是否需要使用焊后热处理来恢复基体材料的强度材料识别在对铝合金焊接修复前首先要考虑的是能够准确的识别修复材料的种类，如果我们不能有效的获得被修复工件的材料种类，就无法选择合适的焊接程序进行焊接，那么对于此类部件的成功焊接修复就无从谈起。对于在不同应用工况下使用的铝合金材料的种类通常有其选用指导规则。例如挤压铝通常是6XXX（AL-Mg-Si系）铝合金合金。空调系统和热交换器通常由3003面板和6061换热管制成。较小的船只通常由5052或5086配合5XXX系列焊材焊接制造。大型船体通常由公认的海洋级材料5083（5Mg）制成。当然这些只是在特定应用中可能会使用的材料种类规则，不能把这些规则强制的挪用到实际的产品制造上，也不能保证所有的产品实际选用的材料种类都按照此规则进行。但是如果我们不能确定母材的种类，最好的办法是对母材进行化学成分分析。对材料进行化学成分分析可以让我们知道母材既定的化学成分及含量，从而确定材料的种类，了解材料的焊接性，并依据焊接性选择最为匹配的焊接材料和合适的焊接工艺规程。最为重要的是在焊接修复前我们不能对铝合金母材的化学成分种类毫无凭据的进行假设，因为这样会为我们焊接修复的接头性能带来极端恶略的影响。所以我一直强调，在未明确了解修复母材的种类之前，不能对铝合金结构进行焊接修复，并且在焊接修复时必须依据材料种类和使用工况选用匹配的焊接材料种类和合适的焊接工艺规程。哪种类型的铝合金不适用于电弧焊接修复一旦确定被修复母材种类后，接着我们要考虑的就是这种铝合金是否可以焊接。有一些铝合金不适用于电弧焊接。在一些关键安全部件的设计制造中往往会选择一些高强度的铝合金，比如飞机部件或者其他高性能运动设备。最初这些设备在制造过程中是没有焊接工序的，如果对这些部件进行焊接修复再回收利用，可能会造成极大的设备安全隐患。此类材料最为常见的两种铝合金是2024铝合金和7075铝合金。2xxx(铝铜镁系)系铝合金和7xxx(铝锌铜镁系)系合金在电弧焊接后对应力腐蚀开裂尤为敏感。开裂处通常会发生在材料的焊接热影响区位置，焊接修复时焊接热影响区经历多次焊接热循环，促使低熔点元素优先地沉淀到材料的晶界中，由于凝固收缩应力的存在，导致此部位晶界变得十分脆弱，从而容易发生开裂现象。此外，由于晶界与晶粒结构其余部分之间电位差的增大也增加了应力腐蚀开裂的敏感性。应力腐蚀开裂是一种非常隐蔽的现象，因为此种失效属于延迟失效类型，在焊接后不能立即检测到，只有在部件使用一段时间后才会发生。这种失效形式的破坏概率可能很高，破坏的时间不可预测，并且依据使用过程中的拉伸应力、操作环境以及部件服役时间的不同而呈现出多变性。其他不适合电弧修复的铝合金包括一些可切削性设计的铝合金材料，比如为提高切削加工性，2011、6012和6262等母材中都含有少量的铅、铋或锡。虽然这些低熔点元素仅仅是少量添加，但焊接过程中的凝固开裂敏感性仍会显著增加。因此这类材料在最初设计时都是采用机械固定的连接方式。适合修复用的焊材种类当要修复的基体材料类型可靠识别后，要遵循最初部件使用的焊接工艺选择最为适合的焊接材料。母材种类确定后，焊材的选择要依据最终产品的使用工况进行相关的考虑，在选择焊材时必须考虑这些基本问题：焊接部件是否会暴露在持续高温环境下（150F以上）？完成修复的部件是否需焊后阳极氧化？焊接接头剪切强度、延伸率和韧性在使用过程中的重要性？焊后是否需要进行焊后热处理？图1比较了不同焊接材料的重要特性，并举例说明了焊材的选择方法，可以帮助我们依据使用工况确定合适的焊接材料。图1Tony Anderson绘制的铝合金焊接修复焊材选用图。通过此图表可以依据母材所需的既定条件选择出最为合适的焊材。焊材的选择基于母材的种类以及最终工件的使用工况。如果你有兴趣想要免费的图表，你可以通过向账户发送邮件联系Tony Anderson索要。另外一个要重点关注的就是工件原焊缝所选用的焊接材料种类。与钢的焊接不同，铝合金的母材可以使用多种化学成分不同的焊接材料进行成功地焊接。最好的例子就是6XXX铝合金的焊接。这类铝合金既可以使用6XXX系列（含Mg）焊丝焊接，也可以使用4XXX（含Si）焊丝进行焊接，但在修复时同时使用这两种焊丝进行焊接就不可以。使用4xxx铝合金焊材修复5xxx铝合金的焊缝，或反之，都会造成焊缝化学成分的分布不均，引起焊缝力学性能下降，同时增加焊缝的不连续性倾向。焊接修复时要确保原来所选用的焊接材料与拟选用的修复焊材具有一定的相容性。焊接修复前修复材料的准备工作即使在对新材料进行焊接加工时，也要确保焊缝位置处的清洁，避免待焊位置处污染物对焊缝性能的损坏。在焊接修复时，我们需要特别注意与修理使用部件有关的潜在问题，即这些部件可能受到油类、油漆、油脂或润滑剂的污染。这些污染物会成为碳氢化合物的来源，从而导致焊接时出现气孔等问题，同时修复位置处氧化铝水合物造成的潮湿也会成为焊接时氢元素的来源。因此在进行焊接修复之前，完全清洗待焊区域非常重要的。焊前需使用脱脂溶剂除去碳氢化合物，并用不锈钢丝刷去除氧化铝的水合物，甚至可以在焊前使用化学试剂对部件进行清洗。如果在焊接修复时需要去除原有的焊缝或者母材，这时要考虑采用何种方式去除比较合适，以及所选用的方法可能会对焊缝带来的影响。在对焊接裂纹进行修复前，裂纹去除时要确保所选用的去除方法不会对待焊位置处的母材带来污染。在使用砂轮机进行打磨时要尤为谨慎，一些研究发现使用砂轮机打磨时砂轮上的颗粒会沉积到基体表面从而造成待焊位置处污染。推荐使用硬质合金工具进行修复部位的凿切和去除。当采用等离子切割或等离子气刨进行预处理时要特别注意，尤其是针对可热处理强化铝合金的焊接修复时，使用这类方法可能会造成基体材料表面出现微裂纹，在焊接前还需机械加工去除。电弧焊接修复后母材基体强度下降的程度铝合金可分为两组：热处理强化铝合金和非热处理强化铝合金。依据不同类型的铝合金，结合焊接过程焊接热循环对母材性能的影响，焊接修复时需要分别加以考虑。a. 非热处理强化铝合金非热处理强化铝合金通常以应变强化状态使用。应变强化可提升这类材料的机械性能。对这类铝合金进行焊接修复时，焊接热循环会导致热影响区及邻近位置的母材重返其退火状态，从而造成强度的下降。从结构性能的角度来看，修复区域热影响区局部位置强度的降低可能会为设备的服役带来极大的隐患。b. 可热处理强化铝合金可热处理强化铝合金在焊接时处于热处理强化状态，常用的热处理手段是热处理+人工时效。这种热处理回火条件下的基体材料处于最佳的机械状态。在焊接修复时焊接热循环会极大的改变维修区域的机械性能。但是这与非热处理强化铝合金不同，后者是在瞬时高温下使母材达到退火态造成强度的下降。由于焊接过程持续有限，可热处理合金在焊接修复期间的加热通常不会导致其完全退火，但会产生局部退火和过度时效的情况。与非热处理强化铝合金相比，可热处理强化铝合金通常需要更多的热量和时间才能达到完全退火态。在焊接可热处理强化铝合金时，强度的降低比非热处理强化铝合金更为重要。但是由于在热处理强化铝合金焊接过程中，强度的下降很大程度上是由整体的热输入决定的，因此有一些指导原则可以减少这种降低。一般来说，焊接时应该尽量降低预热温度并减小层道间焊接温度来减小强度的下降，但即使选用最好的焊接工艺，还是无法避免可热处理强化铝合金焊接修复时热影响区局部位置强度的大幅度下降。焊后热处理相比非热处理强化铝合金，热处理强化铝合金在焊接修复后可进行材料的热处理进行性能的恢复。如果热处理工艺得当，采用热处理后可使材料恢复到原有的热处理+时效态，从而使焊接接头具有较好的力学性能储备。但在实际工程制造中，由于工件尺寸的限制或者热处理成本过高等原因，这类恢复性能的后续热处理往往不切实际。此外，由于在这些热处理过程中需要非常高的温度和冷却速度，因此与之过程相关的结构变形可能也会很高。所以对于大多数铝焊接结构的设计都要求在焊态下使用，相应的设计标准中对焊接造成的基体材料强度的降低进行