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2A14铝合金法兰焊接裂纹修复 程晓 刘毅 王荣 邓刚 张万春 中国航天科技集团长征机械厂 四川成都610100 摘要 铝合金以其良好的力学性能 防锈性能和轻量化而被广泛用于航空 航天等领域 但铝合金 特有的物理一化学性质导致其焊接性极差 极易产生气孔 裂纹等焊接缺陷 主要对2Al4铝合金 法兰焊接裂纹的产生原因和补焊工艺特点 各种注意事项以及对铝合金焊接裂纹补焊工艺规范进 行了详细讨论和探索 同时制定了严格的和细化的补焊工艺流程 完成了该法兰的补焊操作 关键词 铝合金 钨极氩弧焊 焊接裂纹 焊接应力 中图分类号 TH131 2 TG146 2 TQo55 81 文献标志码 B 文章编号 1001 4837 2014 07 0059 06 doi 10 3969 j issn 1001 4837 2014 07 01 1 Repairing of Welding Crack in 2A14 Aluminum Alloy Flange CHENG Xiao LIU Yi WANG Rong DENG Gang ZHANG Wan chun The Changzheng Machinery Factory of China Aerospace Science and Technology Corporation Chengdu 610100 China Abstract Based on the good mechanical properties anti rust performance and lightweight aluminum al loy was widely used in aviation aerospaee and other fields Owing to its unique physical and chemical properties the weldability of aluminum alloy is poor and there are several welding defects generated dur ing the welding process such as blowholes cracks inclusion of slag and SO 0n The reason of aluminum al loy 2A14 welding crack and the characteristics of repair welding process were studied the matters nee ding attention of aluminum alloy welding crack and the technology of repair welding have been discussed and explored in detail At the same time the welding process of repairing that was strict and detailed has been formulated the repair welding of the flange was successfully completed Key words aluminum alloy tungsten argon are welding weld crack welding stress 0引言 铝合金作为工业中应用广泛的一类有色金属 结构材料 在航空 航天 汽车 机械制造 船舶及 化学工业中已大量应用 I4 随着科学技术以及 工业经济的飞速发展 全球对铝合金焊接结构件 的需求日益增多 对铝合金的焊接性研究也随之 深入 铝合金的广泛应用在促进铝合金焊接技术 发展的同时 焊接技术的发展又拓展了铝合金的 应用领域 因此铝合金的可靠焊接技术正成为全 球研究的热点之一 某单位在对产品进行液压试验时 一个2A14 铝合金 工字形 法兰焊接处发生开裂 造成该产 品第一次液压检验失败 文中对该法兰裂纹情 况 诱发原因及补焊过程进行分析总结 为相关产 59 2A14铝合金法兰焊接裂纹修复 Vo131 N07 2014 品避免类似问题积累经验 1 工字形法兰大尺寸裂纹问题描述 图1 a 示出该工字形法兰在整个产品结构 上的安置原理图 发生开裂的部位位于法兰上 对法兰裂纹观察发现 该裂纹为典型的渗透裂纹 如图1 b 中所示 该裂纹沿焊缝金属与母材问 的熔合线扩展并渗透整个接头的同时 也在横向 上沿着接头的热影响区扩展 如图1 b 中的A向 裂纹延展形貌 a 工字形法兰位置简图 裂纹在焊缝内部 扩展路径 裂纹法兰A向 延展形貌 裂纹在法兰表面 扩展路径 b 裂纹在焊缝纵向及横向扩展 图l裂纹产生情况描述 在对2A14铝合金焊接过程中 接头中产生 低熔点的共晶体呈薄膜状展开于晶界上 促使晶 体分离 增加合金的热裂倾向 同时铝合金线胀系 数大 加剧焊缝凝固过程中焊缝的裂纹倾向 因此 2A14铝合金在焊接金属和近缝区的裂纹主 要为热裂纹 为分析裂纹诱发原因 对该法兰原始x射线 探伤底片进行了仔细分析 通过复查发现在开裂 部位存在微观缺陷 微小尖状气孔和夹渣 这些 尖状部位正是微观裂纹源 在初次排除时被忽略 故在进行液压试验时 该法兰接头承受附加的外 载荷 以及极不对称分布的焊接应力 接头中存在 的微观缺陷部位因强度过低而失效 从而导致缺 陷源发生扩展 延伸 直至发生开裂 同时 对开裂焊缝热影响区取样分析表明 由 于过度焊接热输入 热影响区组织中聚集 生成了 一定量的第二相颗粒 这些颗粒的物理性能与基 体铝合金存在很大差异 在外加应力作用下 基 体材料与第二相颗粒极易发生脱离 形成微孔洞 最终造成了接头性能的劣化 因此 在焊接缺陷 处产生的初始裂纹 一旦经过延伸 扩展进入性能 弱化的热影响区 就在外加应力的作用下迅速发 生大尺寸扩展 综上 焊接过程产生的微观缺陷及接头热影 响组织弱化是开裂的主要原因 液压负载产生的 外加应力是诱发原因 两者共同作用于工字形法 兰 最终导致法兰大尺寸开裂失效 2 工字形法兰裂纹产生原因分析 2 1 2A14铝合金焊接性 2A14铝合金因其较好的综合性能 被广泛用 在航空航天大型储存容器中 如运载火箭的燃料 储箱 表1列出了由某铝业供应的2A14铝合金 成分 表1 2A14铝合金组成成分 牌号 Al Si Cu Mg Zn Mn Ti Fe Ni 2A14 余量 0 6 1 2 3 9 4 8 0 4 0 8 0 3 0 4 0 15 0 O 7 0 1 响0 第31卷第7期 压 力 容 器 总第260期 2A14铝合金是一种热处理强化合金 其热处 理规范分为以下4步 首先 加热到475 490 并保温l2 14 h后炉冷的均匀化退火热处理工 艺 其次 加热到350 400 保温3O一120 rain 与材料有效厚度有关 后以30 50 C h速度随 炉冷至300 cI 以下再空冷的完全退火工艺 再次 加热到350 460 oC 保温30 120 min 随材料厚 度不同而变化 后空冷的快速退火热处理工艺 最后 采取495 505 水冷淬火后自然时效 室 温 96 h 尽管2A14具有很好的综合性能 但与其他 金属材料相比 其焊接性极差 极大地影响了焊接 接头的服役性能 表2列出了常见金属间的性能 对比 表2常见铝合金及不锈钢物理性能对比 密度 比热 导热系数 线膨胀系数 电阻率 合金 g cm J kg oC W m 10 一 10 n cm 纯铝 2 698 900 221 9 23 6 2 665 5A06 2 64 921 117 2 23 7 6 73 2A16 2 84 880 l38 2 22 6 6 10 2A14 2 80 836 159 1 22 5 4 30 LC4 2 85 159 1 23 1 4 20 45钢 7 85 480 52 10 6 12 2 9 78 1 Crl8Ni9Ti 7 9 450 20 16 6 通过研究分析认为 2A14铝合金的极差焊接 性主要表现在以下方面 1 氧化性 铝一氧间化学活性强 一方面生成的A1 0 薄膜会阻碍熔化金属之间良好结合 另一方面 A1 0 密度约为铝的1 4倍 在焊接过程中来不及 上浮而形成夹渣 此外 A1 0 薄膜容易吸附水 分 导致焊缝中形成气孔 2 比热容和热导率 铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1 倍 在相同的接头形式下 大量热量在焊接过程中 被迅速传导到母材金属内部 故需消耗更多的 热量 3 热裂倾向性 铝及铝合金的线胀系数约为23 1O 为钢的2倍左右 凝固时的体积收缩 率达6 5 因此 焊接时具有极大的热裂倾 向性 4 气孔敏感性 铝合金焊缝中只产生氢气孑L 由于铝和铝合 金的密度小 气泡在液态熔池中的上升速度较慢 同时 由于铝的导热率大 熔池冷凝快 导致上升 的气泡来不及逸出而被桎梏在焊缝中成为气孔 5 接头不等强 2A14铝合金为热处理强化合金 因此其焊接 热影响区 HAZ 由于受焊接热循环作用而发生 软化 强度降低 使接头与母材金属无法达到等强 度 研究表明 工业纯铝及非热处理强化铝合 金的接头强度约为母材金属的75 100 而 热处理强化铝合金的接头强度下降更为剧烈 仅 为母材金属的50 60 6 焊穿 因熔池表面无明显的颜色变化 操作者不容 易判断出母材金属温度 常因温度过高导致焊缝 烧穿 2 2焊接工艺 通过长期的生产实践 已经积累了一个相对 比较成熟的2A14 BJ一380A焊丝组合应用体 系 分析认为 此次储箱上工字形法兰液压试验 时发生开裂的间接原因在于焊接过程中焊接工艺 不规范诱导了此次法兰开裂 1 焊接顺序存在问题 致使接头中存在高 61 2A14铝合金法兰焊接裂纹修复 值应力 分析认为 该工字形法兰焊接结构较为特殊 且整个法兰在焊接过程中采用周边焊接 导致焊 接结束后在法兰接头处产生极大的焊接残余应 力 图2示出正常对接焊时 接头残余应力分布 情况 可以看出 焊缝接头处存在拉应力 并在焊 缝过渡处存在一定程度的应力集中 应力幅值为 盯 但该应力在焊缝左右两侧过渡处的幅值大小 相等 对称分布 图2对接接头应力分布 图3示出该工字形法兰装焊部位残余应力分 布 接头处也为拉应力 但不同之处在于 法兰焊 缝过渡处产生的应力幅值 和 均大于常规接 头中的残余应力幅值 同时 法兰内侧处产生的 应力 的幅值急剧增加 成为该法兰焊缝上应力 最为集中的部位之一 故在焊接该法兰时 必须 采取有效措施 尽量减小法兰应力集中 但在该 法兰的焊接过程中 操作工没有采用正确的焊接 顺序 导致该法兰应力集中更加严重 I区放大 图3工字形法兰焊接接头应力分布 2 没有严格执行焊前预热和焊后缓冷的操 作规程 焊前对法兰及附近区域预热 可减小该法兰 焊接过程中的残余应力 62 3 焊接操作不当 致使焊缝外形不良 存在 急剧过渡的情况 焊缝局部余高超过4 iTlm 形成焊缝急剧过 渡 导致在过渡处形成严重的局部应力集中 与此 同时 焊接起 收弧位置不当 在应力最大处存在 起收 弧接头 对开裂裂纹进行表面检查发现 证 实在失效部位存在起 收弧接头 4 工艺参数存在问题 导致打底焊 盖面焊 及封底焊3层的熔合线没有有效地避开而发生了 重合 为了确保焊接接头的可靠性 必须采用合适 的焊接工艺参数 实现3层焊缝的熔合线有效地 避开 经试验确定为打底焊焊缝宽度8 10 mm 盖面及封底焊焊缝宽度14 mm左右 3 工字形法兰裂纹补焊 3 1补焊方法选择 由于该工形法兰裂纹产生位置的局限性 自 动化焊接设备难以接近补焊位置 依据航天产品 质量控制要求 同时结合实际 补焊方法采用手工 钨极氩弧焊 3 2补焊工艺参数确定 补焊时的焊接参数和正常焊接时基本一致 其中采用单层单道补焊时 和正常焊接参数完全 一样 而对于必须采用多层补焊的裂纹处 第1层 采用比正常电流小10 15 的焊接参数 第2 层和正常焊接规范一样 由于铝合金在焊接时极 易产生热裂纹 故在保证熔合良好的基础上 推荐 电流越小越好 这样在补焊过程中不易诱发新的 热裂纹 为选用最优补焊参数 依照铝合金焊接工艺 评定要求 对焊接参数重新进行工艺试验 以确定 最优的补焊性能 表3列出法兰各层最优的焊接 工艺参数 3 3补焊流程制定 根据行业铝合金熔焊技术条件规范要求 此 法兰为关键部位控制对象 且为I级焊缝位置 为达到一次补焊成功 制定了如图4所示的补焊 流程 与此同时 补焊操作前 工艺及操作人员须对 补焊过程中的一些重点注意事项进行仔细梳理 具体内容如下 第31卷第7期 压 力 容 器 总第260期 表3法兰各层补焊工艺参数 焊接层数 焊缝名称 焊接方法 焊接电流 A 焊速 m min 电极伸出长度 ram 1 打底焊 l41 170 210 0 05 0 06 5 6 2 盖面焊 141 20o 230 0 O7 0 08 5 6 3 封底焊 l4l 130 160 0 06 0 07 5 6 图4工字形法兰补焊流程示意 3 3 1补焊前准备事项 1 人员 要求持有单位焊接上岗证并且具有技师职称 的人员进行产品补焊操作 且补焊前进行模拟过 程演练和工艺试验件的焊接 2 设备 使用米勒700氩弧焊机 有预先供气 电流衰 减和滞后送气的各种功能 采用交流电源 3 气体 选用纯度为99 999 的工业纯氩作为焊接 保护气体 选用流量为12 14 L min 4 焊丝 采用的焊丝牌号为BJ一380A 焊前必须对焊 丝进行酸洗 且在8 h内实施焊接操作 否则须重 新对焊丝进行酸洗 5 工作场地的选择 本补焊操作在完全封闭的车间内进行 湿度 小于70 并且无穿堂风等影响电弧稳定的因素 存在 6 清理补焊所需的工装及辅助工具 3 3 2补焊前裂纹及补焊位置处理 1 焊缝裂纹复检 首先对裂纹处进行必要的磨平和修整 然后 对焊缝进行检测 结合实际情况 采用RT射线 检测的方法确定裂纹的位置和大小 并由检验人 员在法兰上标划裂纹准确位置及延展路径 2 裂纹清除 在所标记裂纹路径及其两侧 10 mm 涂覆渗 透剂 然后用R铣刀依照所标记裂纹的纵向和横 向延伸路径进行铣削操作 每次的铣削量不超过 2 mm 当红色渗透剂首次被去除时 必须再次重 复上述过程 涂覆渗透剂一铣削 直到确认已排 除为止 注 1 由于如前所述的裂纹部分已形成 了贯穿裂纹 因此为了排除干净 局部位置被铣 穿 2 对所挖的凹坑进行修磨 使之从任何一个 角度都是一个缓坡状 作用是防止未熔合等缺 陷 并在裂纹端头多磨去2 mm左右 作用是止 裂和去掉强度薄弱的部分 3 补焊前待焊表面准备 对因挖排裂纹形成的凹坑 必须在补焊操作 前进行严格的清洗 采用长期使用的不锈钢刷机 械清洗方法 对待补焊区域进行清洗 清洁好的 焊接区域不能用手摸或是被油污污染 如被污染 必须重复上述清洗流程方可允许施焊 3 3 3补焊操作过程中的注意事项 1 补焊前必须对工形法兰整体预热 预热 温度80 120 qC 防止因局部受热不均而导致焊 接过程中应力集中而诱发新的裂纹 2 焊接时 由于起弧处最易出现气孔 起收 弧裂纹和夹渣等焊接缺陷 必须予以及时处理 3 焊枪的前进角度为8O 与工件方向成直 角角度 63 2A14铝合金法兰焊接裂纹修复 Vo131 N07 2014 4 为避免空气进入保护区 尽量采用短电 该补焊法兰能够满足使用要求 弧焊接 但须避免钨极与熔池接触 5 焊接收弧时 必须填满弧坑 防止出现母 材过烧及弧坑裂纹 6 对于需采用多层补焊的裂纹处 要将前 道焊缝用钢丝刷清理干净 去除金属氧化物或者 其他杂质 防止出现夹渣 7 严格控制多层焊时的层问温度 保持层 间温度在60 100 方可进行下道焊缝焊接 8 补焊焊缝中尽量不允许出现接头 如有 需要 则需在接头处用打磨机磨成一个缓坡状 易于接头的熔合 并清理干净 且在缓坡前方 2O一30 1TIm处起弧 防止不熔合 如是多层焊 推荐将接头处磨平 再进行下道焊缝施焊 9 多道补焊时 必须注意控制起收弧的位 置 避免起收弧位置重合 与此同时 多层补焊时 必须错开各层之间的熔合线 10 在补焊因裂纹太深而被挖穿的位置时 推荐焊前往孑L里送人氩气 对反面焊缝进行保护 然后使用小电流焊接 以确保良好熔合 11 焊后必须进行缓冷 采用间接传热的方 式对已补焊完毕的工形法兰进行整体加热 不超 过2A14的时效温度 推荐时间3 5 min 3 3 4焊后检查 1 焊缝的外观检察 不允许存在裂纹 气孔 缩孑L 未熔合 咬边等 表面缺陷 与此同时 焊缝应该与母材平滑过渡 不能低于母材 推荐焊缝余高在0 8 2 mm 2 焊缝进行x射线检查 等焊缝冷却到室温 再用砂轮机等修磨设备 修整焊缝 达到光滑状态 按行业制定的焊缝检 查标准对焊缝进行检查 对检查出的不合格焊缝 报批后方可进行二次返修 程序和第一次返修程 序一样 4结语 采用手工钨极氩弧焊方法对工字形法兰液压 裂纹试验时的开裂裂纹进行补焊修整 通过对裂 纹产生现象及其原因的深入分析 制定了严格的 补焊工艺操作流程 形成了完整的裂纹补焊工艺 通过对该法兰裂纹缺陷进行补焊 无损检测 x射 线 表明裂纹已完全消除 同时液压试验也证明 64 参考文献 1 杨淑芳 楼松年 薛小怀 铝合金焊接技术 J 造船 技术 2003 5 25 28 2 李慧中 张新明 陈明安 等 25l9铝合金焊接接头 的组织与性能 J 中国有色金属学报 2004 14 6 956 960 3 STARKE E A STALEY J T Application of modem a luminum alloys to aircraft J Progress in Aerospace Sciences 1996 32 2 3 131 172 47杨柏 许良红 彭云 等 高强铝合金的MIG焊焊接 工艺 J 焊接技术 2008 37 4 30 33 5 LI C I wu S J DAI S L et a1 Application and devel opment of aluminum alloy in aerospace industry J The Chinese Journal of Nonfe ous Metals 2002 12 3 14 21 6 陈昌麟 超高强度铝合金的发展 J 中国有色金属 学报 2001 12 1 22 27 7 DAVIS J R Aluminum and Aluminum Alloys M ASM international 1993 8 j ZHANG Y M ZHANG S B Welding aluminum alloy 6061 with the opposing dual torch GTAW process J WELDING JOURNAL NEW YORK 1999 78 6 202 206 9 SONG J L LIN S B YANG C L et a1 Spreading be havior and microstructure characteristics of dissimilar metals TIG welding brazing of aluminum alloy to stain less steel J Materials Science and Engineering A 2009 509 1 31 40 10 FAN C LV F CHEN S Visual sensing and penetra tion control in aluminum alloy pulsed GTA welding J I The International Journal of Advanced Manufac turing Technology 2009 42 1 2 126 137 11 唐秀梅 张宏伟 杨金凤 浅析7A10铝合金焊接裂 纹的成因及预防措施 J 轻合金加工技术 2004 31 7 40 41 12 赵勇 付娟 张培磊 等 焊接方法对6061铝合金 接头性能影响的研究 J 江苏科技大学学报 自 然科学版 2006 20 1 90 94 收稿日期 2014 04 17修稿13期 2014 07 09 作者简介 程晓 1987一 男 主要从事铝合金 异种材料 及特种材料连接工艺的研究工作 通信地址 610100四川 省成都市龙泉驿区驿都中路189号中国航天科技集团长 征机械厂 E mail yondongfang 163 con