異種鋁合金機(jī)匣焊縫裂紋分析及工藝改進(jìn)

張明敏　許靜遠(yuǎn)　伍根牛

[摘 要]某型發(fā)動(dòng)機(jī)一機(jī)匣組件是由鋁合金鑄件ZL114A機(jī)匣體及鋁合金鍛件2A70機(jī)匣外罩通過(guò)氬弧焊焊接而成。該機(jī)匣在焊后車(chē)削端面時(shí)，焊縫存在一條周向裂紋。本文分析裂紋的性質(zhì)為過(guò)載斷裂，與焊縫存在未熔合有關(guān)。并通過(guò)將焊接坡口改為U型，增加焊前預(yù)熱，焊前對(duì)零件進(jìn)行化學(xué)清洗和機(jī)械打磨的方式來(lái)控制焊縫未熔合的形成。

[關(guān)鍵詞]鋁合金機(jī)匣 焊縫裂紋 未熔合 工藝改進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）10-0053-01

某型發(fā)動(dòng)機(jī)一機(jī)匣是由機(jī)匣體及機(jī)匣外罩通過(guò)手工氬弧焊焊接而成。機(jī)匣體是牌號(hào)為ZL114A鑄件，焊前狀態(tài)為T(mén)6。機(jī)匣外罩是牌號(hào)為2A70的鍛件，焊前狀態(tài)為淬火時(shí)效。

1 裂紋分析及結(jié)果

1.1 外觀檢查

機(jī)匣外罩與機(jī)匣體氬弧焊焊縫部位可見(jiàn)一條長(zhǎng)度約180mm的周向裂紋，裂紋位于焊縫中間部位（焊縫已經(jīng)過(guò)車(chē)削加工）圖1。

1.2 斷口分析

1.2.1 斷口宏觀分析

裂紋經(jīng)人工打開(kāi)后，經(jīng)外觀及實(shí)體放大鏡宏觀觀察，裂紋匹配面僅有較小的區(qū)域{尺寸為30×（1～2）mm}可見(jiàn)斷裂特征形貌，該區(qū)域呈過(guò)載斷裂特征，斷裂起始于焊縫背面，該部位可見(jiàn)焊接未熔合特征形貌。其余大部分匹配面區(qū)域均無(wú)未見(jiàn)任何斷裂特征形貌，兩匹配面均呈焊接未熔合形態(tài)，見(jiàn)圖2。

1.2.2 斷口微觀分析

經(jīng)掃描電鏡放大檢查，具有斷裂特征的區(qū)域斷面呈準(zhǔn)解理斷裂特征，起始于焊縫背面，該部位可見(jiàn)焊接未熔合特征形貌，見(jiàn)圖3。其他部位匹配面呈焊接未熔合形貌，未見(jiàn)斷裂痕跡，見(jiàn)圖4。

1.3 金相分析

1.3.1 焊接質(zhì)量檢查

在裂紋附近及其對(duì)面部位分別切取金相試樣檢查，焊縫質(zhì)量檢查結(jié)果：裂紋部位存在長(zhǎng)約3.0mm的未熔合；裂紋對(duì)面部位焊縫存在長(zhǎng)約2.8mm未熔合。

1.3.2 顯微組織檢查

分別對(duì)機(jī)匣體、機(jī)匣外罩以及焊縫進(jìn)行顯微組織檢查，結(jié)果如下：機(jī)匣體基體組織正常，顯微組織為α（Al）+第二相，疏松小于0.5級(jí)，未見(jiàn)過(guò)熱過(guò)燒現(xiàn)象；機(jī)匣外罩基體顯微組織正常，為α（Al）+第二相，未見(jiàn)過(guò)熱過(guò)燒現(xiàn)象；焊縫內(nèi)部顯微組織為鑄態(tài)枝晶組織，焊縫內(nèi)部可見(jiàn)多個(gè)孔洞。

1.4 成分分析[1] [2]

對(duì)機(jī)匣體、機(jī)匣外罩基體進(jìn)行化學(xué)成分定量分析，對(duì)焊縫部位進(jìn)行掃描電鏡能譜分，分析結(jié)果顯示基體材料和焊絲符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.5 顯微硬度

機(jī)匣體、機(jī)匣外罩及焊縫顯微硬度檢查結(jié)果：機(jī)匣體（ZL114A）：63.4HV0.3；機(jī)匣外罩（2A70）：103.2HV0.3；焊縫：78.7HV0.3。

3 分析討論

通過(guò)上述分析，機(jī)匣體組件裂紋性質(zhì)應(yīng)為過(guò)載斷裂，該裂紋與焊縫存在未熔合的缺陷有關(guān)。焊縫中有存在氣孔，對(duì)焊縫質(zhì)量也有一定影響。防止鋁合金焊接未熔合的措施有：合適的焊接電流；坡口角度在可能范圍內(nèi)要大，清根加工時(shí)尖端半徑要大；焊槍?xiě)?yīng)對(duì)中，層間采用擺動(dòng)焊接法等。影響鋁合金焊縫中的氣孔的因素有：表面清理質(zhì)量、焊接參數(shù)、保護(hù)氣體純度、環(huán)境溫度和濕度、焊接位置、母材和焊絲氫含量等[2]。

原有零件的坡口為帶頓邊的60°V型坡口，坡口根部間隙小，焊接時(shí)受熱不均勻，易造成焊接未熔合缺陷。在后續(xù)的零件中通過(guò)將坡口進(jìn)為U型坡口，焊縫根部半徑增大，接頭可達(dá)性更好，從而增加焊縫受熱的面積，降低出現(xiàn)未熔合的幾率。

鋁合金焊縫氣孔與其表面氧化膜清除不徹底，存在水汽有關(guān)。焊前除了對(duì)零件和焊絲進(jìn)行堿腐蝕清理之外，還應(yīng)進(jìn)行機(jī)械打磨，這樣即可最大程度上控制氧化膜的存在，進(jìn)而減小焊縫中氣孔，亦可對(duì)消除焊接未熔合有很大益處。同時(shí)，對(duì)零件進(jìn)行焊前預(yù)熱，可消除焊接區(qū)域金屬表面的濕氣，在焊縫起始點(diǎn)獲得合適的熔深，也可以防止焊接裂紋[3]。通過(guò)上述改進(jìn)措施后，后續(xù)零件一次性焊接合格，經(jīng)X射線檢查，未見(jiàn)未熔合缺陷，焊縫氣孔數(shù)量也有明顯減少，未出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂缺陷。

4 結(jié)論

4.1機(jī)匣體組件裂紋性質(zhì)為過(guò)載斷裂，與焊縫存在未熔合有關(guān)。

4.2將坡口改為U型，零件及焊絲在化學(xué)清洗的基礎(chǔ)上增加機(jī)械打磨，零件進(jìn)行焊前預(yù)熱的措施可控制焊縫未熔合和氣孔的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì)。中國(guó)航空材料手冊(cè)（第2版），第3卷：鋁合金鎂合金，北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001。

[2] 中國(guó)材料工程大典編委會(huì)。中國(guó)材料工程大典編委會(huì)，第23卷：材料焊接工程（下），北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005。

[3] 麻毓璜譯。鋁合金焊接手冊(cè)，程度：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1985。

作者簡(jiǎn)介：

張明敏，男，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)零部件焊接工藝研究和應(yīng)用工作。