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铝合金中厚板对接焊缝根部出现裂纹应该这么办,别说小编没告诉你

焊接切割联盟2018-12-05 14:31:22



随着装备制造轻量化的发展,铝合金材料的应用越来越多,厚度越来越大,往期小编整理过铝合金焊接过程缺陷的处理措施,但是还没有涉及到焊缝根部裂纹内容,本期为大家献上根部裂纹的控制措施。           


铝合金车体牵缓、枕梁结构多采用固溶热处理强化高强度铝合金6082(多为冷轧板材)或6005A(挤压型材)材料,厚度多在20mm以上。铝合金中厚板对接焊使用熔化极惰性气体保护焊的方法,单面V形坡口多层多道焊透的形式,焊接填充金属为ER5087。根据设计焊缝质量等级及对焊缝质量控制要求,中厚板对接焊接之后,需进行内部探伤,一般为超声波检测,检测时经常发现焊缝根部波形超出标准曲线要求,存在焊接缺陷,对焊缝断面金相进行检查,发现在焊缝根部出现了焊接裂纹,如图1所示。焊接裂纹严重影响了产品质量,焊接操作人员必须进行焊接返修,而返修过程将造成大量材料和人工成本的浪费,降低了生产效率。对此,为保证焊接接头的质量,提高生产效率,我们要对裂纹产生的原因进行分析,制定相应的工艺措施来控制裂纹的产生。



1. 铝合金板对接焊缝垫板结构样式

由于液态铝合金流动性大,焊缝根部不容易自发成形,因此,铝合金焊接时,对于需要焊透的结构,焊缝背面应安装焊接垫板,以起到衬托熔池的作用,在考虑到结构应力、组装装配等因素后,铝合金垫板设计结构规范分为以下两种结构样式,如图2所示:


从图2可以看出,为了保证焊透性,对于垫板槽宽度、深度等已经有了明确规定,无论A型接头样式还是B型接头样式,在自带垫板槽一侧都设计了2mm回沟。


2. 焊接裂纹分析

(1)铝合金焊接裂纹 铝合金焊接裂纹是铝合金焊接结构生产中常出现的重大焊接冶金缺陷。铝合金焊接裂纹的性质属于热裂纹,它是在固相线附近的高温区产生的。铝合金焊接裂纹有两种特征形式,一种为凝固裂纹或结晶裂纹,另一种为液化裂纹。结晶裂纹多产生焊缝金属内,液化裂纹多产生在近缝区母材晶界上或多层时前层焊缝上。影响铝合金焊接裂纹产生的因素包括:母材性能、焊材与母材匹配性、拘束力大小、焊接方法、焊接工艺、装配焊接顺序等几方面。


(2)中厚板焊接裂纹分析 如图3所示,从焊缝金属宏观金相中可以看出,焊接裂纹出现在焊缝打底层,呈黑色线状,通过电子显微镜观察裂纹断口,其结果如图4所示,从图中可以看出裂纹产生于打底层焊缝金属内部,并且沿晶界薄弱环节处向前扩展,属于结晶裂纹。

从结构和焊接冶金过程入手进行分析,一般情况下,焊缝熔池结晶时,外圈熔池首先进行结晶,然后进行内部结晶,当内部自由结晶进行时,由于铝合金收缩性较大,在外圈已经进行结晶的情况下,内部收缩不足,导致裂纹的出现。对25mm中厚板铝合金焊接过程和宏观金相分析,我们可以看出,焊接过程中,打底层电流一般较大,电弧挺度较直,电弧将焊接填充金属直接带到焊接垫板槽上,打底层焊道下侧与垫板接触熔合在一起,而左右两侧处于“中空”状态,熔池结晶过程中,由于打底层焊缝熔池与垫板先接触,垫板的温度较低,带走大量热量,加速了外圈熔池的结晶,而且焊缝与垫板槽接触熔合后,更加限制了内部自由收缩,在收缩不足的情况下,沿晶界较薄弱处开裂,而出现结晶裂纹。


3. 中厚板裂纹控制措施

通过前面的分析,已经找到了裂纹产生的原因,针对其产生的原因,制定相应的工艺措施,避免裂纹的产生。


(1)严格控制焊缝坡口间隙、钝边大小及坡口角度 铝合金厚板焊接时,常采用的坡口角度在60°~70°,钝边2~3mm,焊接间隙4mm。从图5中可以看出,间隙在4mm时及以上时,为了保证填充饱满及焊缝根部完全熔合,就需要将垫板槽完全填充满,而根据垫板槽的设计结构,其在自带垫板侧有一个深度2mm的回沟,焊接时,无法完全填满,出现“中空”,结晶收缩时,中空最为薄弱。所以,我们制定工艺措施时保证打底层焊缝焊透的情况下,根部熔池不与垫板槽熔合在一起,尽量实现单面焊双面成形效果,使打底层熔池在结晶时各个方向都自由收缩。所以,经过多次试验,对坡口尺寸进行以下要求:在焊接时,坡口角度达到70°,以增大熔宽比,减少裂纹产生率;将间隙调整到3mm以内,加强液态熔池连接效果,而间隙减小可能导致未熔合缺陷的出现,所以将坡口钝边调整为0~1mm。


(2)焊前严格控制预热温度 在前面的描述中,已经明确提出了打底层焊缝熔池接触垫板槽后,由于垫板槽温度比焊缝坡口温度低,焊缝熔池外圈快速降温冷却,而内部温度还未达到结晶温度。所以,在焊接之前,对坡口面进行严格预热,保证坡口面及垫板槽预热完全,保证垫板温度达到80℃以上,从而避免焊接时较大温度差。


(3)降低焊接参数 由于铝合金线膨胀系数大,焊接散热快,特别是厚板焊接时,为了保证焊接之后熔透性,一般打底焊接时多使用较大电流。大电流焊接时,不免出现焊接填充金属在垫板槽内的大量填充,热输入也会增大,导致槽内裂纹的出现,经过多次试验,在保证母材坡口面熔透的基础上,使用较小电流,有效减少垫板槽内填充量,焊接热输入也相对下降,避免裂纹的出现。试验得出的打底参数如表3所示。



(4)注意操作手法 焊接时,应尽量避免焊枪指向垫板槽中心,正确的操作手法是焊枪指向带垫板槽那一侧坡口面,确保焊枪与坡口面角度大于20°,左右快速摆动,保证熔池搅拌充分。


4. 效果验证

通过从保证焊缝坡口尺寸、降低焊接电流参数、规范焊接手法等方面加以控制,有效避免了铝合金中厚板焊接根部裂纹的发生,焊接返修率大幅下降,宏观金相如图6所示。