趙立偉,王志超,牛德良
(中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司,黑龍江 哈爾濱 150066)
AJI8屬于高鎂加工鋁合金,不僅具有強度高、比重低等特征,還對帶有氯離子的成分有一定防腐性,所以,在造船行業(yè)十分非常普遍。
AJI8合金因含鎂量多,液態(tài)金屬易氧化、粘度較大,鑄造性能很差,容易出現(xiàn)鑄造問題。所以,若能采用焊接工藝補償鑄件問題,將有顯著經(jīng)濟價值。但是,因為AJI8材料可焊性很差,通常無法獲得很好的連接接頭,焊接過程在熱影響范圍的β相燒損而出現(xiàn)的“孔隙”,導(dǎo)致焊接端部的機械性能大幅度降低。
AJI8屬于二元鎂鋁合金,其鎂量是9.5%~11.5%,屬于一種固熔液型合金,通過淬火處置后是單相組分,有良好的機械性能,防拉強度能達(dá)到30kg/mm2~40kg/mm2,延展率是10%~25%。
AJI8材料在載荷和溫度影響下,強度大大下降;伴隨鑄件壁厚的加大,機械性能有明顯降低。所以,生產(chǎn)厚壁工件,很難保障質(zhì)量。雜質(zhì)嚴(yán)重影響合金質(zhì)量,鐵在合金內(nèi)成為Al3Fe,既令合金結(jié)晶粗大與變脆,并且下降了它的防腐性。Si會產(chǎn)生Mg2Si,令合金變脆。所以,Si與Fe均是合金內(nèi)的有害成分,需要嚴(yán)控。鈹?shù)奶砑幽艽蠓忍嵘辖饳C械質(zhì)量,但是要同時添加等量Ti以制約合金晶粒粗大。
AJI8材料的加工性能很差,一般是液態(tài)時(尤其是結(jié)晶溫度時)容易氧化,逐漸產(chǎn)生明顯疏松。
AJI8材料的基本組分為α固熔液(指鎂在鋁內(nèi)的固溶體)與β相。但在淬火時因β相溶解,材料出現(xiàn)單一的固液體狀態(tài)。有關(guān)β相的化學(xué)組分目前還有定論,但大都覺得是Al3Mg2。有關(guān)β相的特性,一致人為為脆性的低熔點粗鐵。因為合金內(nèi)有鐵、Si等成分,所以,往往產(chǎn)生Al3Fe與Mg2Si等物質(zhì),且與α固熔液和β相構(gòu)成了多種共晶體,這類共晶他熔點很低。
AJI8材料是能夠熱處理增強的,于(430±5)℃溫度下保溫10h~20h,讓合金內(nèi)的β相與其它共晶體徹底溶進(jìn)α固熔液,再在50℃~100℃水里速冷,進(jìn)而得到單獨的合金組分,提升鑄件機械性能。針對保溫時間要根據(jù)合金成分的顆粒度、鎂量及工件厚度而決定。為避免鑄件在熱處理過程氧化,鑄件表面要提前涂抹一層防高溫的材料。
AJI8材料在淬火過程得到的單相組分并不穩(wěn)定,檢驗證明:材料加熱超出100℃后,固容易讓就分解,大幅度降低機械性能,且復(fù)原到淬火前的標(biāo)準(zhǔn)。
AJI8材料常在過熱工件表面出現(xiàn)“黑色斷口”,主要特點是在斷口內(nèi)有大量黑色小點,還有整個斷口由灰至黑色。焊接過程因局部聚集加熱,常常出現(xiàn)類似情況,所以令焊接端部的機械性能大大降低,或引起“孔隙”而導(dǎo)致鑄件與焊接端部在水壓測試時出現(xiàn)漏水情況。
有關(guān)“黑色斷口”形成的原因不管是在鑄造和焊接時均是因為β相的劇烈氧化導(dǎo)致。合金內(nèi)添加0.05%~0.07%鈹和適量鈦,是避免鑄件黑色氧化物產(chǎn)生的有效方法,由于鈹既可以避免液態(tài)材料氧化,而且當(dāng)合金重新熔化時也不會有較大燒損。
分析“黑色斷口”的形成原因與預(yù)防方法,對處理AJI8材料焊接熱影響范圍的“孔隙”現(xiàn)象有重要作用。
鎂鋁合金是防銹鋁的一類,老牌標(biāo)號為LF××,F(xiàn)就是防銹鋁內(nèi)“防”字的中文拼音首字母大寫。Mg在Al內(nèi)的常溫溶解度是0.34%,極限溶解度是14.9%逐漸表面能產(chǎn)生Al2O3·MgO膜層,具備較好的防腐性。當(dāng)鎂含量很高時,鎂鋁合金內(nèi)會析出第二相Al2O3與Al3Mg8,第二相和基體之間電位差很大,會大大降低防腐性,所以鎂鋁合金內(nèi)的鎂含量通常低于12%,常見牌號低于8%,鎂含量不一樣出現(xiàn)不同牌號。
我國原來大都使用前蘇聯(lián)體系標(biāo)示鋁材,也使用過前蘇聯(lián)牌號標(biāo)示辦法,之后持續(xù)根據(jù)GB/T340-1976《有色金屬與合金鑄件牌號標(biāo)示方法》以中文拼音字母代表鋁與鋁合金牌號,而鎂鋁合金通過LF2、LF3代表。1997年元月1號開始實行的GB/T16474-1996《變形鋁與鋁合金牌號標(biāo)示方法》取代GBT340-1976中關(guān)于變形鋁與鋁合金牌號標(biāo)示方法內(nèi)容,新牌號標(biāo)示方法一般采取變形鋁與鋁合金國際牌號注冊組織認(rèn)可的國際四位數(shù)字系統(tǒng)牌號命名辦法,鎂鋁合金牌號包含5052、5086等。各國選擇的變形鋁牌號對應(yīng)表(以5052為例)如表1所示。
表1 各國選擇的變形鋁牌號對應(yīng)表
2.2.1 強氧化性能
Al與Mg的親和力較強,鋁在空氣中容易和氧化合出現(xiàn)組織致密的Al2O3薄膜,厚度月0.1μm。Al2O3熔點達(dá)到2050℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Al和鋁合金熔點(500℃~600℃)。焊接環(huán)節(jié),氧化膜將限制金屬間的正常結(jié)合,容易夾渣。氧化鋁膜也會吸收水分,焊接時將導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔。所以,為保障焊接性能,焊前要清除焊件表層的氧化物,且避免焊接時二次氧化。
對熔化金屬與處在高溫下的金屬要加強維護,這是Al與鋁合金焊接的關(guān)鍵特征之一。
2.2.2 很高的熱導(dǎo)率與比熱溶大
Al與鋁合金的熱導(dǎo)率與比熱容都是碳素鋼及低合金鋼的2倍多,焊接時,許多熱量可以被快速傳導(dǎo)進(jìn)基體金屬中,所以焊接鋁和鋁合金時,能耗表現(xiàn)在熔化金屬熔池之外,也有大量熱量不必要耗損在金屬其他位置,為得到高性能的焊接接頭,要盡可能采取能量聚集、功率高的能源,有時還能采取預(yù)熱等工藝方法。
2.2.3 熱烈傾向大
Al的線膨脹值大概是22.9×10-6/℃,F(xiàn)e為11.7×10-6/℃,Al與鋁合金線膨脹值大概是碳素鋼與低合金鋼的2倍。鋁硬化時的體積收縮率很大,為6.5%,而Fe是3.5%,所以鎂鋁合金焊接時極易出現(xiàn)縮孔、縮松、熱裂痕與很大的內(nèi)應(yīng)力。具體焊接過程常常采取調(diào)節(jié)焊絲組分和焊接方法的手段避免熱裂痕的形成。
2.2.4 氣孔敏感度大
鋁與鋁合金熔液熔池極易吸附氫等元素,高溫下溶進(jìn)的大量氣體焊接后冷卻硬化時無法及時析出,集中在焊縫內(nèi)會出現(xiàn)氣孔。孤柱氣氛下的水分、焊材與母材表層氧化膜吸收的水分,均是焊縫內(nèi)氫氣的關(guān)鍵來源。所以,焊前清理干凈焊材坡口和焊絲是非常有必要的。
2.2.5 固態(tài)液化時沒有色澤變動
鋁與鋁合金焊接熔池材料從固邊變?yōu)橐簯B(tài)時,無明顯的色澤變動,給焊接提供了便利。
2.2.6 單向
Al是面心立方晶格,無其他同素異形體,冷卻和加熱環(huán)節(jié)無相變,焊縫晶粒變粗,無法通過相變實現(xiàn)晶粒細(xì)化。
用普通方法連接AJI8材料時,焊接端部的強度極限降低一半左右,延展率減小達(dá)75%,水壓測試常常出現(xiàn)漏水情況。將焊縫一層一層刨削,沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等問題(焊接鑄件通過精煉排氣);但將焊接接頭斷開,就能找到“黑色斷口”。如果把斷口加工成金相工件,通過肉眼就能發(fā)現(xiàn)相似微裂紋的“孔隙”。該種孔隙通常聚集于接頭熱影響區(qū),進(jìn)行機械性能測試時,樣本開裂在熱影響范圍,開裂面由灰至黑色。
所以,AJI8材料焊接接頭過程機械性能的大幅度下降主要是因為熱影響區(qū)出現(xiàn)了孔隙。
熱影響區(qū)出現(xiàn)孔隙和合金β相特性有緊密聯(lián)系。β相屬于低熔相,其熔點只有465℃,只比共晶體熔點高幾度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于α固熔液的熔點,所以當(dāng)合金二次升溫時,β相在465℃條件下將朝液態(tài)過渡,而升溫溫度沒有達(dá)到材料熔點時,α固熔液依舊是固態(tài),液體的β相就聚集在α固熔液的晶界上,若這時可以讓合金得到充足的氧源,那么液體β相就出現(xiàn)明顯的氧化,且釋放熱量,令部分固液體氧化,進(jìn)而在固液體晶界上出現(xiàn)了網(wǎng)狀孔隙。
因此β相的特性與加熱條件(時長與溫度)對引起鑄件熱影響范圍的孔隙有較大作用。為了解時長與溫度對AJI8材料β相的燒損的干擾,選擇了厚度是10mm、r=30mm的扇形樣本在420℃、440℃、460℃、480℃、500℃、520℃、560℃、580℃、600℃及620℃條件下分別升溫15min、20min、25min、30min與35min,升溫后的外形如圖1所示。由圖能夠發(fā)現(xiàn),465℃溫度下的短時升溫(短于35min),鑄件表面沒有明顯改變;超過這一溫度,鑄件表面就產(chǎn)生灰色半點。超過540℃,鑄件表面部分變黑;在此溫度延長加熱時間,鑄件變黑范圍增大,且產(chǎn)生粒狀黑渣。持續(xù)提高溫度且保溫一段時間后,鑄件表層粒狀黑渣慢慢嚴(yán)重化,并出現(xiàn)裂痕。加熱溫度為600℃時,保溫時長超過25min后,表面黑渣擴大,且呈球狀,鑄件出現(xiàn)較大變形。當(dāng)溫度為620℃時,鑄件表面都成為黑渣,且熔化而分散,表現(xiàn)出黑色海綿體。
圖1 樣本加熱后的形狀
結(jié)合以上結(jié)果,從焊接方面來說,大體能繪制出AJI8材料β相氧化位置圖(圖2)。
圖2 AJI8材料β相氧化位置圖
對升溫后的扇形樣本(保溫25min)進(jìn)行金相研究時得知:
(1)加熱溫度<465℃時,β相未燒損,只順著α固熔液晶界聚集。
(2)升溫溫度在465℃~540℃范圍內(nèi)時,β相順著α固熔液晶界出現(xiàn)燒損。
經(jīng)上述測試,AJI8材料出現(xiàn)孔隙的根源在于β相燒壞。為逐步探究β相燒壞和β相在鑄件內(nèi)存在模式的聯(lián)系,進(jìn)一步分析了增溫對淬火狀態(tài)材料的作用。工件先根據(jù)T4標(biāo)準(zhǔn)展開淬火處置,再在420℃、440℃、460℃、480℃與500℃各升溫30min,然后檢查金相組分,得知加熱溫度≤480℃的鑄件,β相都沒有明顯析出;在500℃溫度下,β相才開始順著固液體晶界析出,且燒損,出現(xiàn)網(wǎng)狀孔隙。由此得知,沒有通過淬火處理的鑄件加熱至β相熔點后,β相會出現(xiàn)明顯燒損。所以,在淬火狀態(tài)連接AJI8材料,焊接接頭質(zhì)量可以得到明顯改善。
焊接AJI8材料的最大問題即熱影響區(qū)出現(xiàn)的“孔隙”,而出現(xiàn)孔隙的根源在于β相燒壞。因此,避免或削減β相燒壞是提高AJI8材料焊接接頭質(zhì)量的基本路徑。
β相燒壞一般取決于材料的加熱溫度與時長;β相在鑄件內(nèi)的存在模式;鑄件被氧化雜物尤其是鐵所污染的程度。
對于這幾點,提升AJI8材料焊接接頭質(zhì)量能從以下幾個方面入手:①提升鑄件性能,盡量削減鑄件內(nèi)氧與雜物的含量;②鑄造過程,合金內(nèi)添加0.05%~0.07%鈹以削減β相氧化;③施焊前,被被焊材料做淬火處置,將β相移至α固熔液,焊接時能削減α固熔液燒壞;④焊接過程,采用科學(xué)的工藝方法,縮短熱影響范圍高溫停留時長。
結(jié)合這些原則,對比以下幾種焊接方式:采取氬弧焊,因為電弧熱量過度聚集,熔池溫度太高,Mg、Al等元素出現(xiàn)明顯的氧化,在熔池內(nèi)出現(xiàn)許多高熔點氧化成分,熔池較粘,表面產(chǎn)生黑渣,限制電弧增熱熔池與添加填注金屬;將焊接接頭斷開后熱影響范圍的孔隙非常嚴(yán)重,所以未進(jìn)一步測試。通過釬焊方式測試也沒有獲得良好的結(jié)果。
選擇氧-乙炔焊,通過多次測試后得到了良好的結(jié)果,但要采用以下工藝方法:
(1)焊前對工件展開淬火處置。
(2)焊接時選擇中性火焰。如選擇氧化焰,將加重β相氧化;選擇碳化焰將引起氣孔。
(3)為減小熱影響范圍的溫度,補焊小型配件能放在體積很大的金屬塊上施焊,而金屬塊半沉在導(dǎo)電液體內(nèi),以提高熱傳導(dǎo)效果。
(4)焊接過程選擇功率很大的焊炬,盡量加快焊接速度,減少熱影響范圍受熱時長。
(5)焊接完成后,待焊冷卻至500℃后,小配件能放進(jìn)溫水(超過80℃)里速冷,大配件能在補焊地方澆溫水冷卻,由此減少部件高溫停留時長,削減熱影響范圍β相損壞。
(6)焊補后適合重新熱處理鑄件,讓焊接過程產(chǎn)生的β相再次溶進(jìn)α固熔液,提升焊補件性能。
采取以上工藝方法,焊接接頭防拉強度能達(dá)到17.5kg/mm2~22.5kg/mm2,是基體金屬防拉強度的66%~83%。展開50kg/cm2的水壓測試時,保持5min以上沒有發(fā)現(xiàn)任何滲漏情況。