（材料加工工程专业论文）zl205a铝合金铸件焊补用焊丝的研究.pdf

z l 2 0 5 a 铝合金铸件焊补用焊丝的研究 摘要 高强韧z l 2 0 5 a 铝合金以其优异的力学性能，得到了军事、航空航天等工业 设计者的青睐，具有广阔的应用前景。但其铸造性能差，铸件易产生局部铸造缺 陷，往往需要进行焊补。焊补过程中易出现工程技术要求严格的焊补热裂纹，且 极难消除。焊补热裂纹缺陷的产生，与焊接方法、工艺等因素相关，但更重要的 是焊补用焊丝材料，其抗裂性对焊补热裂纹起着决定性作用。到目前为止，有关 z l 2 0 5 a 合金铸件焊补的研究未见报道。其焊补用焊丝一般采用本体制各，各生 产厂家根据自身情况，或直接切条或制成条状、盘装焊丝，抗裂性较差。因此急 需开发出一种新型抗裂焊丝，来改善这种状况。本文借鉴变形铝合金焊丝研究方 法，根据z l 2 0 5 a 合金特性，通过优化本体焊丝材料成分配比、添加微量合金元 素等方面的研究来降低焊丝材料热裂敏感性，从而达到改善焊补热裂纹缺陷的目 的。 一些研究资料认为c u 、v 、z r 三元素对a l - c u 类合金热裂敏感性影响较大。 然而通过对该三元素的正交试验发现，在本体焊丝材料成分范围内调整其合金元 素成分配比对降低焊丝材料热裂敏感倾向影响很小，可能是因为合金成分较复 杂，且其成分区间较小，微量调整达不到预期目的。在添加微量稀土元素的研究 中，发现c e 和l a 都能降低合金热裂倾向，但c e 的效果并不显著，而且孕育期 长，且一定程度上还降低了合金流动性。而l a 以纯金属形式加入时，结果不稳 定；以中间合金形式加入时，效果良好，通过试验确定较优添加星为o 2 。金 相分析发现，l a 的加入细化了合金晶粒，从而显著提高了合金抗裂性。 传统的焊丝制备工艺流程为：熔炼一浇锭一挤压一拉拔，由于该工艺一般要 求大批量制备，在熔炼、制锭过程中易导致预制锭组织较差，不但成品率低，也 影响所制备焊丝的质量。本研究采用了新型制备工艺：给定配比合金熔炼一连铸 出口1 0 m m 料杆一拉拔一表面处理。合金由液态直接激冷成中1 0 m m 料杆，其组 织致密良好，成品率也相应提高。同时采用了先进的表面处理技术，最终得到的 焊丝比较理想。最后，在与本体焊丝的焊补对比试验中，发现改进型焊丝较大程 墼堡型兰竺茎堕鲨翌堡堕竺塞堕竺主竺壅竺兰堡堡茎。! 度上降低了合金热裂敏感性，达到了降低铸件焊补区域热裂纹缺陷的目的。 关键词：z l 2 0 5 a 合金焊丝稀土金属焊接修补 s t u d yo nt h ew e l d i n gw i r e u s e di nr e p a i r i n g z l 2 0 5 aa ll o yc a s ti n g s a b s t r a c t z l 2 0 5 aa l l o yi sf a v o r e dm o r ea n dm o r eb yt h ed e s i g n e r so fm i li t a r y ， a v i a t i o na n ds p a c e f l i g h ti n d u s t r yb e c a u s eo fe x c e l l e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h ec a s t i n g sa r em a d eo fz l 2 0 5 aa l l o y ，h o w e v e r ，o f t e nh a v e m a n yd e f e c t sf o ri t sb a dc a s t i n gc a p a b i l i t y ，w h i c hh a v et ob er e p a i r e d w i t hw e l d i n g b u tt h er e p a i r i n ga r e a sm o s t l ya p p e a rh o t c r a c kd e f e c t s w h i c ha r en o te l i m i n a t e de a s i l y i nf a c t ，t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f w e l d i n gh o t c r a c kd e f e c t si n c l u d ew e l d in gt e c h n i q u ea n dw e l d i n gw i r e ，t h e l a t t e ri sm o r ei m p o r t a n tb e c a u s et h eh o t b e a r i n gs e n s i t i v i t yo fw e l d i n g t w i r ei sad e c i s i v ea c t o r s t u d yo nw e l dr e p a i ro fz l 2 0 5 aa l l o yc a s t i n g h a sh a r d l yb e e nr e p o r t e d b yn o w t h ef i l l e dm e t a lc o m m o n l yi sm a d eo fb a s e m a t e r i a l ，w h i c he i t h e r i sc u ti n t ob a rf r o mb a s ec a s t i n gd i r e c t l yo ri sm a d ei n t ob a ro rc u r l e d w e l d i n gw i r e t h eq u a l i t yo ft h ew e l d i n ga r e ai sw e l d e db yt h i sk i n do f f i l l e dm e t a li sn o ts a t i s f y i n g ，s oi t i su r g e n tt od e v e l o pan e wt y p eo f w e l d i n gw i r et or e s o l v et h i sp r o b l e m t a k i n gt h er e s e a r c hw a yo fw r o u g h t a l u m i n i t u na l l o ya sr e f e r e n c e ，t h i sp a p e rd oal o to fr e s e a r c hi no p ti m i z i n g t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no fz l 2 0 5 aa l l o ya n dm o d i f y i n gw i t ha d d i t i o n s t oi m p r o v et h eh o tb e a r i n gs e n s i t i v i t yo ft h ew e l d i n gw i r ea n ds o1 0 w e r t h ep r o b a b ili t yo ft h eh o t c r a c kd e f e c t si nw e l d i n gr e p a i ra r e a so fz l 2 0 5 a a ll o yc a s ti n g s t h er e s u l t so fo r t h o g o n a lt e s ta b o u ta 1 1 0 yc o m p o s i t i o n ss u c ha sc u 、 v 、z rt e s t i f i e dt h a ti t b a r e l yc o u l dl o w e rt h eh o tb e a r i n gs e n s i t i v i t y o fz l 2 0 5 aa l l o yo n l ya d j u s t i n gt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ，w h i c hi s o p p o s i t et os o m ed o c u m e n tr e p o r t s t h er e a s o n sm a yb ez l 2 0 5 aa l l o y 一1 1 1 ! ! 壁型兰竺窒堕垄塑量堕竺壅要壁竺窒竺兰堡堡茎 i n c l u d i n g8k i n do fc h e m i c a le l e m e n t sa r es oc o m p l e xa n dt h er a n g ei ss o l i m i t e dt h a ti ti si m p o s s i b l et oi m p r o v ea 1 1 0 yh o tb e a r i n gs e n s i t i v i t y o n l yt h r o u g ho p t i m i z i n gs u c ha sc u 、v 、z ra l l o yc o m p o s i t i o n s t h er e s u l t s o fm o d i f i n gw i t ha d d i t i o n sd i s c l o s e dt h a tc ea n dl ar ee l e m e n t sa l lc a n l o w e rt h eh o tb e a r i n gs e n s i t i v i t yo fz l 2 0 5 aa l l o y ，b u tt h ee f f e c to fc e i s n tr e m a r k a b l ea n di tl o w e r st h ef l u i d i t yo fz l 2 0 5 aa l l o yt os o m ee x t e n t a n dl o n g e r st h eg e s t a t i o np e r i o da sw e l l a d d i n gt h ep u r em e t a ll ai n t o z l 2 0 5 aa l l o yc o u l d n to b t a i nas t a b l er e s u l t ，b u tt h er e s u l tw a ss of i n e w i t ha d d i n gt h ea 1 一l aa l l o yi n s t e a d a f t e ral o to ft e s t 。0 2 w a s c o n s i d e r e da sb e t t e rv a l u eo ft h eq u a n t i t yo fa d d i t i o n s m i c r o s t r u c t u r e o ft h ea ll o ya f t e rm o d i f i e db yl aa d d i t i o n se x p l a i n e dt h ep r i n c i p l ew h y i tc a nl o w e ra l l o yh o tb e a r i n gs e n s i t i v i t yw a sl aa d d i t i o n sr e f i n et h e a ll o yg r a i n s t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fm a n u f a c t u r i n gw e l d i n gw i r e i s ： m e l t i n g - - i n g o t i n g - - s q u e e z i n g - - d r a w i n g u s e dt h i s t e c h n i c s ，t h e s t r u c t u r eo fi n g o t sa r ep r o n et oh a v es o m ed e f e c t s ，w h i c hn o to n l yi m p a c t t h eq u a l i t yo fw e l d i n gw i r eb u ta l s ol o w e rt h ep r o d u c tr a t e t h en e wt y p e o f t e c h n i c si nt h i sp a p e ri s ：m e l t i n g - - c o n t i n u o u sc a s t i n gml o m m b a r s d r a w i n g - _ p 0 1i s h i n g t h es t r u c t u r eo fw e l d i n gw i r ei sf i n eb e c a u s e i tt u r n sf r o m1 i q u i di n t ool o m m b a r sr a p i d l y 。a n dt h ep r o d u c tr a t e i n c r e a s e s a tt h es d , n et i m e ，t h ea d v a n c e ds u r f a c ep o l i s h i n gt e c h n o l o g y m a k e ss u r et h eq u a l i t yo ft h ew e l d i n gw i r e t h ep r a c t i c a lw e l d i n gr e p a i r t e s t sp r o v e dt h en e wt y p eo fw e l d i n gw i r ei m p r o v e dt h eh o t c r a c kd e f e c t s i nt h e w e l d i n gr e p a i ra r e a s ，s o i ta c h i e v e dt h ee x p e c t i n ga i m s u c c e s s f u ll y k e yw o r d s ：z l 2 0 5 aa l l o y w e l d i n gw i r e r e w e l d i n gr e p a i r 一一 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕卜研究生学位论文 符号清单 高温阶段晶间发生的塑性应变量 高温阶段晶间允许的最小变形量 晶间液体形态受晶界界面张力 固液界面张力 液体双面角 附加应力 液体的表面张力 液膜凹面的曲率半径 断裂应力； 粘度系数； 液膜厚度； 凝固末期固相分数； 抗拉强度 屈服强度 伸长率 m p a m p a m p a m p a m p a m p a “ 村 豇 疳 憎 f 占 口 口 口 p 盯 ， 口 玎 6 尼 蛾 一 机槭科学研究院j 克阳铸虚研究所硕士研究生学位论文 插图清单 图1 1 结晶裂纹的位置，走向与焊缝结晶方向的关系2 图1 2 收缩应力作用下结晶裂纹形成示意图3 图1 3 共晶型合金的热裂倾向4 图1 4a i - - c u 二元合金相图4 图1 5 焊接温度与应力变化示意图6 图1 6 液化裂纹出现的位置6 图1 7 近缝区的晶间低熔共晶偏析7 图1 8 分层焊热循环示意图8 图i 9 三晶粒顶点所形成的微裂纹9 图1 1 0 沿晶界相对滑动因形成空穴而导致微裂纹形成示意图9 图1 1 l 焊缝边界的“热裂敏感区”与冷却速度的关系9 图1 1 2 真空连铸装置示意1 3 图2 1 脊椎骨式热裂模具1 8 图2 2 改进型脊椎骨热裂模具之一1 8 图2 3 改进型脊椎骨热裂模具之二1 9 图2 4 热裂环模具二维图1 9 图2 5 锲形热裂模型2 0 图2 6 热裂模具组装前2 1 图2 7 热裂模具组装后俯视2 l 图2 8 热裂环模具二维图2 1 图2 9 热裂环试样2 1 图2 1 0 铜含量对a l - c u 类合金热裂倾向的影响2 2 图2 1 l 本体焊丝z l 2 0 5 a 合金2 4 图2 1 2 添加稀土c e 后2 4 图2 1 3 各步骤试验热裂试样热裂纹长度变化示意图2 7 图2 1 4a 卜l a 二元合金相图3 1 v u l 插图清单 图2 1 5a 1 l a 金相图片1 0 0 x 2 9 图2 1 6a j l a 金相图片2 5 0 2 9 图2 1 7 本体焊丝z l 2 0 5 a 铝合金热裂试样热裂纹长度示意图3 l 图2 1 8 本体焊丝z l 2 0 5 a 铝合金热裂纹外观形貌3 l 图2 1 9 添加o 1 镧后的热裂试样热裂纹长度变化示意图3 2 图2 2 0 添加0 1 镧后的热裂试样热裂纹外观形貌3 2 图2 2 l 添加o 2 镧后的热裂试样热裂纹长度变化示意图3 2 图2 2 2 添加0 2 镧后的热裂试样热裂纹外观形貌3 3 图2 2 3 不同镧添加量对本体焊丝z l 2 0 5 a 铝合金热裂倾向的改进效果3 3 图2 2 4 不同镧添加量对本体焊丝z l 2 0 5 a 铝合金力学性能的影响3 3 图2 2 5 拉伸应力、表面张力与液膜厚度的关系3 5 图2 2 6 本体焊丝合金显微组织4 0 0 x 3 6 图2 2 7 本体焊丝合金显微组织6 4 0 x 3 6 图2 2 8 加o 1 镧4 0 0x 3 6 图2 2 9 加0 1 镧6 4 0 x 3 6 图2 3 0 加0 2 镧4 0 0 x 3 6 图2 3 l 加0 2 镧6 4 0 x 3 6 图2 3 2 晶粒尺寸与合金热裂抗力关系3 7 图2 3 3 微区电子探针扫描照片3 8 图3 1 传统工艺预制造锭工艺示意图4 0 图3 2 连铸拉丝炉4 2 图3 3 连铸熔炼装置简图4 5 图3 4 焊丝拉拔示意图4 6 图3 5 中4 嗍的条状丝4 6 图4 1 焊接接头力学性能试验设计图样4 8 图4 2 焊缝力学性能试板( 焊前) 4 9 图4 3 原焊丝对接试板焊后形貌5 0 图4 4 新型焊丝对接试板焊后形貌5 0 图4 5 对接焊缝力学性能试棒及x 光底片5 0 图4 6 原焊丝焊区显微组织1 0 0 x 5 2 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生学位论文 图4 7 新型焊丝焊区显微组织1 0 0 x 5 2 图4 8 合金凝固期间在固一液态时受切应力作用的形变示意图5 3 表格清单 表格清单 表1 1 母材与焊丝的主要化学成分l l 表2 1 本体焊丝材料合金化学成分2 2 表2 _ 2 本体焊丝z l 2 0 5 a 合金添加o 1 金属镧的热裂环试验操作及结果2 6 表3 1 焊丝化学成分检测结果4 7 表4 1 对接焊缝接头力学性能结果记录5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭撼抖堂丑究瞳 或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者繇f 孚f 目金签字慨蒯年7 月铲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解拯撼抖堂盟究隧有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扭撼型堂硒宜瞳可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：辱l 丑金 导师签名： 签字日期：加占年7 月牛日 签字日期：口6 年7 月仁日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着军事、航空航天等工业的发展，以往较少采用的z l 2 0 5 a 铝合 金，以其优异的力学性能，越来越受到设计人员的青睐。 用于军事及航空航天的构件，质量要求高，当铸件出现铸造缺陷时，须进行 焊接修补。然而，目前z l 2 0 5 a 铝合金铸件焊补效果很不理想，焊补区域常产生 焊补热裂纹缺陷且不易消除，不仅造成废品率高，也阻碍了z l 2 0 5 a 铝合金在军 事、航空航天工业的进一步发展应用。 1 1z l 2 0 5 a 合金铸件焊补热裂纹现状 1 1 1 焊补热裂纹的危害 焊补热裂纹对构件的危害主要有以下几方面： ( 1 ) 构成了严重的应力集中。裂纹为片状缺陷，其边缘构成了非常尖锐的切 口，具有很高的应力集中，既降低了结构的疲劳强度，又容易引发结构的脆性破 坏。 ( 2 ) 造成泄漏。很多简类铸件，或者在高压条件下服役，或者盛装可燃气体 或液体等，如有穿透性裂纹，发生泄漏，将造成极严重的后果，工程上是不允许 的。 ( 3 ) 减少了焊区的工作截面，因而降低了构件的承载能力。 ( 4 ) 留下隐患。微裂纹和内裂纹很容易漏检，漏检的裂纹即使很小，在一定 条件下也会发生扩展，增加了构件使用的潜在危险。 对于应用于军事、航空航天的铸件，如果出现以上问题其危害将比普通构件 造成的危害大的多，甚至将会是灾难性的。因此，设计人员一般在技术要求中明 确要求铸件如果进行焊接修补，焊补区域不允许存在任何热裂纹缺陷。 1 1 2z l 2 0 5 a 合金铸件焊补热裂纹现状 设计人员要求z l 2 0 5 a 合金铸件可以存在一些如气孔等焊补缺陷，但不允许 机械科学研究院沈阳铸造研究所碗十研究生学位论文 存在任何焊补热裂纹缺陷。然而，目前z l 2 0 5 a 合金铸件7 0 左右的焊补缺陷却 恰恰是焊补热裂纹，同时在生产中发现如果铸件在前次焊补过程中出现了焊补热 裂纹，再次返修时，仍易产生焊补热裂纹。也有部分铸件一开始并没有出现焊补 熟裂纹缺陷，而是产生气孔等缺陷，但返修后，却出现了热裂纹缺陷。这说明 z l 2 0 5 a 铝合金铸件焊补过程中易产生热裂纹，而且不易消除。 因此，如何采取行之有效的方法改变现状，是摆在研究人员面前迫切的难题。 l2 铝合金焊补热裂纹研究现状 z l 2 0 5 a 合金铸件焊补热裂纹问题，目前未见研究报道。本文借鉴变形铝合 金焊接热裂纹的研究成果，对z l 2 0 5 a 合金铸件焊补热裂纹的成因、形成机理及 预防措施等方面进行了探索。 1 2 1 焊接热裂纹的类别、形成机理及其预防措施“1 焊接热裂纹可分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类。 ( 1 ) 结晶裂纹 结晶裂纹又称凝固裂纹，是在焊缝金属凝固过程的后期所形成的裂纹，是生 产中最常见的热裂纹之一。 1 ) 一般特征 结晶裂纹只产生在焊缝中，多呈纵向分布在焊缝中心，也有呈弧形分布在焊 缝中心线两侧，而且这些弧形裂纹与焊波呈垂直分布( 如图1 1 所示) 。通常纵 图1 1 结晶裂纹的位置、走向与焊缝结晶方向的关系 1 - - 柱状晶界 2 一焊缝表面焊波 卜弧坑裂纹 4 一焊缝中心线两侧的弧形结晶裂纹 卜沿焊缝中心线的纵向结晶裂纹 第一章绪论 向裂纹较长、较深，而弧形裂纹较短、较浅。产生于焊缝收尾处的弧坑裂纹也属 于结晶裂纹。 尽管不同种类的结晶裂纹，其形态、分布和走向有区别，但它们有一个共同 特点，即部是沿一次结晶的晶界分布，特别是沿柱状晶的晶界分布。焊缝中心线 两侧的弧形裂纹是在平行生长的柱状晶晶界上形成的，焊缝中心线上的纵向裂纹 恰好是出现在焊缝两侧生成的柱状晶的汇合面上。 多数结晶裂纹的断口上可以看到氧化的色彩，说明了它是在高温下形成的。 在扫描电镜下观察结晶裂纹的断口具有典型的沿晶开裂特征，断口晶粒表面圆 滑。 2 ) 形成机理 根据焊接凝固冶金理论，焊缝结晶时先结晶部分较纯，后结晶的部分含杂质 和合金化元素较多，这种结晶偏析造成了化学成分不均匀。随着柱状晶长大，杂 质合金化元素就不断被排斥到平行生长的柱状晶交界处或焊缝中心线处，形成低 熔点相或共晶。在结晶后期己凝固的晶粒相对较多时，这些残存在晶界处的低熔 点相尚未凝固，在冷却收缩所引起的拉伸应力作用下，晶粒沿边界处分离形成结 晶裂纹，如图1 2 所示意。 收缩应士 - ) h ) ( a ) 柱状晶界形成裂纹( b ) 焊缝中心线上形成裂纹 图1 2 收缩应力作用下结晶裂纹形成示意图 3 ) 影响因素 影响结晶裂纹的因素可从冶金和力学两方面分析： 冶金因素的影响 塑堂塑型鬯塑堕她塑丝塑 a 合金元素 。 合金元素对结晶裂纹的影响十分复杂又很重要，而且多种元素相互影响要比 ，一因素的影响复杂的多。合金元素可以影响结晶温度区间的大小，从而影响合 芋脆性温度区间的大小，也可以影响到杂质或低熔点共晶偏析以及偏析产物的形 孝。偏析产物如果呈球状或块状，则对合金热裂倾向影响较小，甚至不增加合金 热裂倾向；如果呈膜状，则增大合金热裂倾向。 铝合金为典型的共晶型合金，台金成分改变会改变共晶的比例，合金的热裂 倾向也随之变化，如图1 3 所示。最大热裂倾向正好位于最大结晶温度区间4 乃 内，此时的合金成分标为石。不过，焊接过程一般是不平衡结晶过程，固相线 通常要向左下方偏移，即图中的虚线。图1 4 为a l c u 二元合金帽图，从图中 我们可以看出，a l c u 合金的最大热裂成分点品= 5 6 5 ，而z l 2 0 5 a 铝合金c u 笛4 6 一5 3 ，理论上最大热裂成分点不在该区间内，不过，由于实际金属凝 固过程为不平衡结晶过程，即液相线和固相线要稍微往左下方偏移，这样其最大 热裂倾向成分点就很可能位于该区间了，因此其焊接热裂倾向大。同时，由于 z l 2 0 5 a 铝合金含有8 种合金元素，其交互作用更是复杂，对热裂的影响也比较 酞- 乃 一 ，：、 一 图1 3 共晶型合金的热裂倾向 b 组织形态 p ， 基 薯 l 舒o暂 蠢途 、- 幺 昏 ! s ： 5 4 8 _ c、 、l 一 ia ：s 1 3 3 2 o + e (- u j l i 啪 l c 口( 耋量， 图1 4a l c u 二元合金相图 釜 第一章绪论 力学因素的影响 焊接结晶裂纹具有高温沿晶断裂性质。发生高温沿晶断裂的条件是金属在高 温阶段晶日j 塑性变形能力不足以承受所发生的塑性应变量，即： 6 m 式中一一高温阶段晶间发生的塑性应变量： j 。一一高温阶段晶间允许的最小变形量； j 。反应了焊缝金属在高温时晶间的塑性变形能力。金属在结晶后期，即处 在液相线与固相线温度附近，有一个所谓的“脆性温度区”，在该区域范围内喧 性变形能力最低。脆性温度区的大小及区内最小的变形能力艿。由合金本身性质 决定。 e 是焊缝金属在高温时受各种力综合作用所引起的应变，它反映了焊缝当时 的应力状态。这些应力主要是由于焊接不均匀加热和冷却过程而引起，如热应力、 组织应力等。 4 ) 防治措施 由前述结晶裂纹的影响因素即可以看出，其防治措施有以下两方面：冶金因 素和工艺因素。 冶金因素 a 严格控制焊缝中易形成低熔点或共晶的杂质含量； b 改善焊缝结晶形态，如可以通过添加细化合金元素，通过细化晶粒，改变 焊缝一次结晶组织形态，打乱柱状晶的结晶方向，从而提高焊缝抗裂能力； c 利用“愈合”作用 晶间存在易熔共晶是产生结晶裂纹的重要原因，但当易熔共晶数量达到某个 区间时，反而能降低裂纹倾向。这是因为较多的易熔共晶可在已凝固的晶粒之间 自由流动，填充了晶粒间由于拉应力所造成的缝隙，即所谓的“愈合”作用。 工艺因素 如前所述，焊接过程中存在应力是焊缝产生裂纹的必要条件，而应力主要是 如熟应力、组织应力等，如图1 5 所示，从图中我们可以看出，在焊接过程中， 离熔池距离不同的截面，其温度分布不同，相应的各截面上的应力分布也不同， 因此就产生了应力不均匀，从而为热裂提供了条件。要使得这些应力降低，可改 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生学位论文 进焊接工艺参数、预热、接头设计和焊接顺序等工艺。 一一蠢耐 b】矗， 图1 5 焊接温度与应力变化示意图 ( 2 ) 液化裂纹 1 ) 基本特征 液化裂纹是指在母材近缝区或多层焊的前一焊道因受热作用而液化的晶界 上形成的焊接裂纹，如图1 6 所示。 图1 6 液化裂纹出现的位置 l 一母材上，位于熔合线凹区 2 一多层焊层间过热区 近缝区的液化裂纹多发生在母材向焊缝凸进去的部位，该处熔合线向焊缝侧 凹进去而过热严重。液化裂纹为微裂纹，尺寸很小，一般在0 5 m m 以下，个别达 到l m m 。 2 ) 形成机理 第一章绪论 液化裂纹形成机理本质上与结晶裂纹相同，都是由于晶l 日】存在脆弱低熔相或 共晶，在高温下承受不了力的作用而开裂。其区别仅在于结晶裂纹是液态焊缝金 属在结晶过程中形成，而液化裂纹则是固态的母材在热循环的峰值温度作用下使 晶日j 层重新熔化后而形成。因此，如果在母材近缝区上或多层焊的前一焊道上， 其晶界处有元素偏聚( 如图1 7 所示) ，或已形成低熔点相或共晶，则在重新受 热条件下，这些晶间物质便熔化，如果有足够力的作用就形成液化裂纹。 图l - 7 近缝区的晶阃低熔共晶偏析 3 ) 影响因素和防治措施 与结晶裂纹一样其影响因素和防治措施包括冶金和力学因素两个方面。 冶金方面与结晶裂纹完全一致，即要尽量控制低熔点相或共晶的形成；力学 因素除了与结晶裂纹一致的工艺因素外，还有近缝区或多层焊的热循环因素。 如图1 8 所示，多层焊的第一层a 点处受热情况随时间变化曲线，由图中可以看 出，焊接第一层时，与普通焊缝金属受热过程一样，其焊缝金属也是先由固态在 热源作用下熔化为液态，随后当第一层焊完，热源移走则开始冷却而重新结晶成 固态。之后在焊接后面几层时，同样对第一层有热作用，即如图中波浪线所示。 如果第一层焊缝金属结晶时候存在晶问杂质或者低熔点共晶物质，即使在焊接第 一层时，没有开裂，那么在后来这反复的热作用下将液化，而这段时间相对又持 续较长，则很有可能开裂，而产生热裂纹缺陷。 ( 3 ) 多边化裂纹 1 ) 主要特征 机械科学研究院沈阳铸造研究所颂七研究生学位论文 u k t l $ 图1 8 分层焊热循环示意图 焊接过程中在金属多边化晶界上形成的热裂纹称为多边化热裂纹，因为一般 是由高温状态下合金塑性低而引起，故又称高温低埋性裂纹，多发生在焊缝中， 个别情况也出现在热影响区。其特点是： 在焊缝金属中裂纹的走向与一次结晶并不一致，常以任意方向贯穿于树 枝晶； 裂纹多发生在重复受热的多层焊层间及热影响区，且位置并不靠近熔合 区： 裂纹附近常伴随有再结晶晶粒出现； 断口无明显的塑性变形痕迹，呈现高温低塑性开裂特征。 2 ) 形成机理 焊缝金属结晶时在结晶前沿已凝固的晶粒中萌生出大量晶格缺陷( 如空位和 位错等) ，在快速冷却条件下因不能扩散便以过饱和状态保留在焊缝金属中。在 一定温度和应力条件下，晶格缺陷由高能部位向低能部位转化，即发生迁移和聚 集( 如图1 9 ，1 1 0 所示) ，形成了二次边界，也叫多边化边界。而母材热影响 区在焊接热循环作用下，由于热应变，金属中的畸变能增加，也会形成多边化边 界。一般情况下，二次边界并不与一次结晶晶界重合，在焊后冷却过程中，因其 热塑性降低，在一定的应力状态下沿多边化的边界产生裂纹。所以，多边化裂纹 的走向总是沿高温向点阵迁移形成的新晶界扩展。 3 ) 影响因素及防治措施 目前，多边化裂纹的研究还不深入，初步认为影响多边化裂纹的主要因素是 g 一 第一章绪论 图1 9 三晶粒顶点所形成的微裂纹 图1 1 0 沿晶界相对滑动因形成空穴而 导致微裂纹形成示意图 焊丝材料合金成分、应力状态和温度，它们的影响主要表现在形成多边化过程所 需的时间上，如果导致多边化的时间越短则裂纹倾向越大。如图1 1 1 所示，一 般来说，高速焊接会造成焊缝金属凝固快，增加其热裂倾向。但对于多边化裂纹 来说，采用较高速度焊接时，增加了熔合区冷却速度，提高了温度梯度，而使得 近缝区热裂敏感区变小，反而能降低其出现的几率。 a ) 小的冷却速度b ) 大的冷却速度 图1 1 1 焊缝边界的“热裂敏感区”与冷却速度的关系 不过，对于铝合金来说，焊接热裂纹主要为结晶和液化裂纹两类，多边化裂 纹极少出现。 通过以上对焊接热裂纹的分析，结合生产实际，发现z l 2 0 5 a 铝合金铸件焊 补热裂纹缺陷主要是结晶裂纹，极少量液化裂纹。当然其主要影响因素也是焊丝 材料合金成分和焊接工艺。目前实际生产中对焊接工艺已经做了相当的研究，收 效甚微。而z l 2 0 5 a 铝合金铸件焊补焊丝一般采用本体成分合金制备，其抗裂性 差，因此应考虑通过研究开发出新型抗热裂焊丝，达到改善z l 2 0 5 a 铝合金铸件 焊接修补热裂纹缺陷的目的。 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕七研究生学位论文 1 2 2 铝合金焊丝国内外研究现状 ( 1 ) 铝合金焊丝材料成分改进 实践证明，焊接区域的成分不同以及由此引起的结晶形态和组织不同，对焊 接区域性能影响很大。因此，要改进焊接质量，必须使焊丝材料成分合理。所以， 在焊接技术发展的过程中，研究人员意识到这个问题的重要性，对铝合金的焊丝 材料成分改进进行了一些研究。 文献 2 - 3 中综合介绍了一些常用的细化晶粒合金元素添加剂，通过添加这 些元素提高了焊缝金属的强度和韧性。锰可以提高焊缝的抗拉强度，但对韧性 影响复杂“1 ；铌和钒可以提高焊缝的冲击韧性1 ；钛和硼可以提高焊缝的韧 性”1 ；稀土可改善焊接区域组织和提高韧性1 ，虽然以前对稀土研究不少，但 其对焊接质量的改进极其复杂，因此很多机理并不是十分清楚。碲可使焊缝金 属中的扩散氢气含量显着降低，从而大大的提高合金抗裂能力“”。 研究人员根据以上微量元素的作用研究成果，研究了铝合金焊丝中添加细化 元素的影响作用，文献 1 1 中，作者对l c s 铝合金焊接时，成分对焊接质量的 影响做了研究，当用本体焊丝，焊缝晶粒最粗大，树枝特征明显，晶日j 共晶体呈网 状倾向最严重，共晶体中还存在灰色相 ，这可能是前述的母材中的铜、锰与杂 质元素铁、硅形成的有利于裂纹扩展的金属间化合物：c u ：f e a l ，、 ( f e m n ) 3 c u 2 a 1 ：( f e m n ) a 1 。和( f e m n ) a 1 “”，在焊缝凝固过程存在比较严重的晶界偏 析，凝固过程中的低熔共晶薄膜和其它夹杂相也存在于晶界，这对于已较薄弱的 晶界有催化作用，因而这种条件下最易产生结晶裂纹。而改用$ 3 3 1 焊丝，由于加 入了t i 、z r 、r e 、b 等添加剂，一定程度上细化了晶粒，减少了共晶体数量和网 状倾向，共晶体形状为枝晶状和蠕虫状的混合状，且弥散化。t i 、z r 、r e 、b 等元 素能强烈地提高铝合金再结晶温度“”，因而，焊丝中含这些元素，这些元素的金属 间化合物呈弥散质点存在时，能有效阻止晶粒长大，起到了增加形核，细化晶粒的 作用。而二元、三元共晶熔点低，故共晶体数量的增多，使焊缝金属的凝固区间宽 和沿晶界的共晶连续程度增大及晶间有利于裂纹扩展的金属间化合物增多，均使 晶粒彼此分离的程度增大，使焊缝产生热裂纹的倾向增大。可见，l c 9 c s 超硬铝热 裂纹倾向的大小，与焊缝的成分和组织有着极大的关系，而填充金属的成分正是 起到关键的作用。 1 0 第一章绪论 对于a 1 - - c u 类合金，在铸造中经常加入t i 、z r 作为晶粒细化剂，通过与 a l 反应生成a l j i 和a l g r 等金属间化合物，成为非均匀质形核的核心，促进晶 粒细化。然而对于铝合金焊接，虽然实验室研究也证明了t i 、z r 可以细化晶粒 i s - 1 7 但在焊接熔池凝固过程中t i 、z r 的作用机理还不很清楚，其细化晶粒效 果以及对焊缝的影响研究很少。文献 1 8 中，作者对此进行了研究，试验中分 别用两种不同的焊丝进行焊接。其中一种与本体成分相差不大，另外一种提高了 t i 、z r 的含量。两种焊丝与母材化学成分见表1 1 。 表1 1 母材与焊丝的主要化学成分 成分 杉街 c u m n t i z ra i 母材 6 2 80 3 00 0 4 80 2 0 余量 1 号焊丝6 1 80 3 00 1 40 1 6余量 2 号焊丝 5 5 70 3 80 2 60 3 3余量 从焊接后的金相看，确实生成了a 1 3 t i 和a l g r 等金属间化合物，从而细化 了焊接区域的晶粒组织。关于其细化机理，k o u 和l e “”经过研究发现，在铝合金 焊接区域组织金属中，a 1 3 t i 和a l g r 提供了非均质形核的核心，促进细小等轴 晶的形成。 对于铝合金铸件焊补来说，由于以前对铸件质量要求不是特别高，所有牌号 铸造铝合金铸件修补用焊丝一般采用市售a 1 i 二元合金焊丝。随着军事、航空 航天业的发展，用户对铸件质量要求越来越高，要求铸件修补必须采用本体焊丝。 虽然采用本体焊丝提高了铸件质量，却给焊接修补带来了问题：一方面由于铸造 铝合金的特性，使得焊补区域易产生焊补缺陷；另一方面由于不适合拉拔，制备 焊丝较为困难。 因此，研究人员根据这些问题也做了一些研究，不过由于起步较晚，目前能 查到的文献报道，只有沈阳铸造研究所针对z l i1 4 a 合金特性，对其铸件焊补用 焊丝进行了研究，不过也仅仅是对焊丝材料合金成分进行了微量调整。 目前，z l 2 0 5 a 铝合金铸件焊接修补用焊丝一般采用本体合金制备，各厂家根 据自身情况或直接切成条棒或制备成丝，对其的研究未见报道。应该说上述变形 铝合金焊丝材料成分改进研究方向是今后铸件焊补用焊丝研究的发展趋势。由于 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生学位论文 关于z l 2 0 5 a 铝合金铸件焊接修补用焊丝研究未见报道，那么降低其焊丝材料热 裂敏感性研究不但应借鉴以上变形铝合金焊丝研究方法，也应借鉴铸造方面关于 z l 2 0 5 a 铝合金热裂敏感性的研究成果。不过到目前为止，对本体焊丝z l 2 0 5 a 铝 合金材料热裂的研究未见报道，但仍可借鉴铝铜类合金该方面的研究成果。 通过分析研究人员关于铝铜合金热裂敏感性的研究成果，对于z l 2 0 5 a 铝合 金材料来说，对其热裂敏感性影响较大的本体合金元素及其影响作用可总结如 下： 1 ) 铜含量为4 6 5 3 ，对其热裂倾向影响很大： 2 ) v 在a l - c u 合金中的作用表现为生成高熔点v a i ，能作为外来晶核细化晶 粒，因此，v 明显降低a 1 - c u 合金的热裂倾向。低含量水平( o 1 3 v ) 时即表现出 明显的降低热裂倾向的效果，但随着v 含量提高降低热裂倾向的效果降低： 3 ) z r 对合金热裂倾向的影响有两方面：一方面z r 作为晶粒细化剂生成离 熔点z r a l 。存在于晶内，降低热裂倾向：另一方面z r 在晶界富集与f e 等元素组成 复杂的相或夹杂物，形成断裂源，强烈增大热裂倾向。当z r 的含量较低且合金中 细化剂含量较低时，前者起主导作用，在一定程度上降低或不明显影响合金的热 裂倾向：当z r 的含量较高且合金中细化剂含量较高时，后者起主导作用，此时强 烈增大合金的热裂倾向。高含量水平( 0 2 0 z r ) 明显增大合金的热裂倾向，但含量 较低( o 1 3 z r ) 时影响不明显； 4 ) 添加微量元素改善铝铜类合金热裂倾向的研究，一般是添加微量t i 、 z r 等细化元素和添加微量稀土元素如c e 、l a 等； ( 2 ) 焊丝外观形式 目前铸造铝合金铸件焊补一般有钨极氩弧焊和