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。

1 AJI8材料的組分與現(xiàn)狀

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。

2 鎂鋁合金焊接性介紹

2.1 鎂鋁合金介紹

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 鎂鋁合金焊接特征

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。

3 AJI8材料焊接端部熱影響范圍的“孔隙”

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。

4 提高AJI8材料焊接接頭質(zhì)量的有效途徑

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。