李丽丹

四川机电职业技术学院 四川攀枝花 617000

1 序言

目前，不可热处理强化铝合金的应用较为广泛，如铝镁（Al-Mg）合金系、铝硅（Al-Si）合金系、铝锰（Al-Mn）合金系，它们具有良好的塑性、耐蚀性和较好的焊接性，但强度、硬度较低。随着工业技术的发展，生产设备中可热处理强化铝合金的应用也逐渐增多，如锻造铝合金、硬铝合金、超硬铝合金及大部分铸造铝合金等，相比不可热处理强化铝合金，它们具有一定的耐蚀性，还具有较高的强度和硬度，但焊接性较差。攀钢棒线材厂QF500冷剪机离合器上铸造铝合金定位压板（材质：ZL110）生产过程中产生多处裂纹，由于没有备件，导致棒线材厂因设备无法正常运行而停产，现需要焊接修复，保证设备正常运转。

目前，国内外对可热处理强化铝合金裂纹的焊接修复技术研究较少，遇到可热处理强化铝合金设备部件出现问题时，由于焊接修复工艺不配套，导致可热处理强化铝合金设备因不能及时处理而带来较大的经济损失。为确保设备的正常生产运行，减少经济损失，需研究可热处理强化铝合金材料的焊接方法、焊接材料、裂纹修复工艺及措施。

2 ZL110铝合金化学成分及性能分析

攀钢棒线材厂QF500冷剪机离合器上铸造铝合金定位压板，材质为ZL110，名称为ZAlSi5Cu6Mg，属于可热处理强化铝合金，化学成分[1]见表1。ZL110抗拉强度≥165MPa，硬度≥90HBW，可经热处理强化，塑性低，硬度高，高温性能良好。

表1 ZL110化学成分（质量分数） （%）

3 铝合金焊接性能分析

可热处理强化铝合金[2]有：硬铝Al-Cu-Mg系，超硬铝Al-Cu-Mg-Zn系，锻铝Al-Mg-Si-Cu系、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系，铸造铝铜合金Al-Cu系，铸造铝锌合金Al-Zn系，铸造特殊铝硅合金Al-Si-Mg系、Al-Si-Cu系、Al-Si-Mg-Cu系、Al-Si-Mg-Cu-Ni系，特殊铝锂合金系包括Al-Li-Cu-Mg-Zr、Al-Mg-Li-Zr、Al-Mg-Li-Zr-Sc、Al-Cu-Li-Ag-Zr。它们是通过热处理来显著提高其力学性能的，热处理强化在于固溶和时效，时效的含义是析出了强化相。因可热处理强化铝合金的强化是以Al与合金元素之间形成的金属间化合物溶解在固溶体中的溶解度为基础的，就是Zn、Mg、Cu、Si四种主要元素与Al组成的二元化合物和三元化合物，在Al中的溶解度能随温度的降低而剧烈减少，析出了强化相，所以这类铝合金可通过热处理来提高力学性能。ZAlSi5Cu6Mg就是属于铸造特殊铝硅合金A l-S i-M g-C u系。一般情况经热处理强化后铸造铝合金的抗拉强度为225～470MPa，锻铝的抗拉强度≥355MPa，硬铝的抗拉强度为205～420MPa，超硬铝的抗拉强度＞400MPa。

现对ZL110焊接性能分析如下[3]。

（1）焊接时极易氧化 在空气中，铝容易与氧化合生成致密的Al2O3薄膜（厚度为0.1～0.2mm），熔点高（约2050℃），远超过铝及铝合金的熔点（约650℃左右）。氧化铝的密度3.95～4.10g/cm3，约为铝的1.4倍。氧化铝薄膜的表面易吸附水分，焊接时它阻碍基体金属的熔合，极易形成气孔、夹渣、未熔合等缺陷，引起焊缝性能下降。因此，焊接时最好选择惰性气体保护焊方法，可防止氧化和缺陷的产生。

（2）焊缝中易产生气孔 铝合金焊接时产生气孔的主要原因是氢，由于液态铝可溶解大量的氢，而固态铝几乎不溶解氢，因此当熔池温度快速冷却与凝固时，氢来不及逸出，容易在焊缝中聚集形成气孔。可采用小电流慢速焊，加大焊缝冷却时间等措施，能较好地帮助气体排出熔池。

（3）铝的导热系数大 铝及铝合金的导热系数约为钢的4倍，因此焊接铝及铝合金时，比焊接钢要消耗更多的热量，故宜选用热能集中的焊接方法。

（4）合金元素的蒸发和烧损 铝合金中含有低沸点元素（如镁、锌、锰等），在高温电弧作用下极易蒸发烧损，从而改变焊缝金属的化学成分，使焊缝性能下降。焊接时应选择保护效果好、合金过渡系数高的焊接方法，并采取小焊接电流等防止合金元素的蒸发和烧损。

（5）焊缝变形和热裂纹倾向大 由于铝的线膨胀系数和结晶收缩率约比钢大两倍，因此易产生较大的焊接变形和内应力，对刚性较大的结构会促使热裂纹的产生。铝合金焊接时产生的热裂纹大部分为结晶裂纹，有时在近缝区也可能出现液化裂纹，而硬铝及大部分可热处理强化铝合金，产生热裂纹的倾向较大，在焊缝拘束的情况下更易开裂。

（6）焊接接头容易软化 可热处理强化铝合金在热处理状态下焊接时，热影响区会发生第二相脱溶析出的过时效，造成局部软化。一般情况下，当热影响区温度≥200℃时，就逐步脱溶析出平衡相，强化效果消失，即发生过时效；当温度达到350℃后，析出相将逐渐向固溶体溶解而形成固溶状态，强化效果完全消失。因此，焊接时应选择热能集中的焊接方法和热输入量小的焊接参数，以控制热影响区温度。

（7）焊接接头的耐蚀性低于母材 可热处理强化铝合金焊接接头的耐蚀性降低较明显，接头组织越不均匀，耐蚀性越易降低。焊缝金属的纯度或致密性也影响接头的耐蚀性。杂质较多、晶粒粗大以及脆性相析出等，耐蚀性就会明显下降，此外对于铝合金，焊接应力的存在也是影响耐蚀性的一个重要因素。

4 可热处理强化铝合金ZL110裂纹修复的焊接问题

由于焊接裂纹处往往都是处于拘束状态下的焊缝，焊后焊缝不能自由地收缩，受到两侧母材的牵制，收缩过程中焊缝将受到两侧的拉应力作用，在焊缝中易出现裂纹。因铝合金的线膨胀系数约为钢的2倍，热胀冷缩比钢大，焊接过程中产生的收缩拉应力比钢大，相比更容易产生裂纹，所以当可热处理强化铝合金ZL110焊接时，应考虑选择抗裂性好的焊接材料，工艺上应采取能防止和消除焊接应力的措施等，以防止焊缝中产生裂纹。如果裂纹焊接修复后，还残留有应力集中点，设备在运行过程中受交变载荷的作用下，还会在应力集中处产生疲劳裂纹。因此，对可热处理强化铝合金产生的裂纹进行焊接修复时，消除焊接应力和防止产生应力集中必须采取合理有效的工艺措施。

5 焊接方法的选择

铝合金的焊接方法较多，如氧乙炔焊和焊条电弧焊的铝合金焊接接头质量较差、热影响区又较宽，对焊缝质量有要求时都不能采用；等离子弧焊和搅拌摩擦焊等需采购特殊的焊接设备，成本高；结合裂纹修复的实际情况，可选择手工钨极氩弧焊或熔化极惰性气体保护焊，由于熔化极惰性气体保护焊焊接可热处理强化铝合金时质量控制相比手工钨极氩弧焊难度大，且产生气孔的倾向也比手工钨极氩弧焊大。所以，宜选择脉冲手工钨极氩弧焊方法来焊接修复可热处理强化铝合金产生的裂纹缺陷。脉冲手工钨极氩弧焊方法设备简单，操作灵活方便；氩气保护效果好，合金过渡系数高；氩气冲刷焊接接头表面还有一定的冷却作用；利用脉冲电弧，热量比较集中，热影响区窄，且受温度影响小；焊缝金属致密，接头的强度和塑性高，可获得满意的优质接头[4]。

6 铝合金ZL110焊接材料的选择

一般情况下，焊接铝及铝合金都采用与母材成分相同或相近牌号的焊丝，这样可以获得较好的耐蚀性；选用熔化温度低于母材的焊缝金属，可以减少焊缝金属和热影响区的裂纹敏感性。但可热处理强化铝合金焊接时，由于热裂纹倾向大和焊接接头的软化现象，因此焊接材料的选择应根据接头的抗裂性、力学性能及耐腐蚀性能等综合考虑。

通过分析合金元素对可热处理强化铝合金性能的影响，结合可热处理强化铝合金的焊接问题，研究选择适用于焊接可热处理强化铝合金ZL110裂纹的焊接材料，宜选用硅含量较高的铝合金焊丝ER4043，它是一种通用性较大的铝硅合金焊丝。由于焊丝的熔化温度为573～625℃，因此熔敷金属的流动性好，母材焊接变形小，有助于减少热裂纹的产生，且具有较好的耐蚀性和较高的强度，适合焊接各种铸造及挤压成形的铝合金，特别是对易产生热裂纹的可热处理强化铝合金的焊接，可获得较好的效果。熔敷金属化学成分和力学性能分别见表2、表3。但在焊接镁含量较高（wMg＞2%）的铝合金时（如超硬铝），焊缝中易生成脆性的Mg2Si化合物，使接头的塑性和耐蚀性降低。因此，进一步分析研究焊接镁含量较高的铝合金时，宜选择ER5183焊丝，其化学成分和力学性能见表4、表5。因硅含量较少，该焊接材料还具有优良的焊接工艺性能，焊缝成形美观。

表2 ER4043焊丝化学成分（质量分数） （%）

表4 ER5183焊丝化学成分（质量分数） （%）

表5 ER5183焊丝熔敷金属力学性能

7 工艺实施

1）用硬质合金砂轮片或旋转锉清除裂纹缺陷，并在裂纹处修磨60°的坡口，再用不锈钢丝刷清除坡口面及两侧15～20mm内的氧化铝膜，直至露出金属光泽。

2）焊接设备选用功率在315A以上的脉冲手工钨极氩弧交流焊机。保护气体选择高纯氩（氩气纯度99.999%）。

3）焊接厚度≤10mm时采取多层焊接，厚度＞10mm时应采取多层多道焊。

4）由于铝合金的导热系数大（约为钢的4倍），当焊件较大或厚度≥10mm时，可焊前预热100～150℃，以除去母材中的水分，并提高焊缝升温速度，降低冷却速度，有利于防止氢气孔的产生。

5）脉冲手工钨极氩弧焊焊接参数见表6。

表6 脉冲手工钨极氩弧焊焊接参数

6）焊接过程中控制层间或道间温度等于或略高于预热温度，以防焊接接头温度过高、增大热影响区宽度。

7）每层或每道间焊接前，应用不锈钢丝刷清除上一道或上一层表面的氧化膜，以防氧化膜进入焊缝形成夹杂。

8）根据裂纹产生的位置和长短，分别采取不同的分段退焊法或分段间段退焊法（见图1），以减少焊接应力，使应力分布较均匀，防止因应力集中而产生裂纹。

图1 焊接修复裂纹缺陷的顺序

9）底层和中间层每一段焊后立即用带圆头的小铁锤在焊道表面进行锤击（小铁锤重0.5kg，圆头直径6mm），先锤击焊道中间再锤击焊道与母材的结合处，达到布满麻点为止，可消除焊接接头的较多应力，细化晶粒，并将拉应力状态变为压应力，有利于防止焊缝裂纹产生。盖面层完成后立即用木锤在焊缝和两侧进行锤击（木锤重0.5kg，圆柱形，锤击端略带小弧度），可降低焊接部位残余应力，强化焊接接头。

10）焊缝冷却到室温后，修磨焊缝表面余高或凸度不超过2mm，焊缝与母材结合处过渡圆滑，以提高焊接接头抗疲劳强度。修复完成的铸造铝合金定位压板如图2所示。

图2 修复完成的铸造铝合金定位压板

8 焊后热处理

铝合金ZL110焊后热影响区性能弱化，对于可热处理强化铝合金，在焊后可以重新进行热处理，使基体金属热影响区的强度恢复到接近原来的强度。一般情况下，接头破坏处都是在薄弱的熔化区内。在重新进行焊后热处理后，焊缝金属所获得的强度主要取决于使用的填充金属。填充金属与基体金属的成分不同时，强度将取决于填充金属对基体金属的稀释度。

虽然焊后热处理增加了强度，但对焊缝的韧性可能出现某些损失。由于焊缝附近熔化区的沉淀和晶界的熔化，因此使热处理强化铝合金的某些焊件的韧性很差。假使情况不太严重，焊后热处理可以使可溶的成分重性溶解，得到更均匀的结构，对韧性稍微有改善，并会较大地增加强度[5]。

9 结束语

1）焊接修复可热处理强化铝合金裂纹宜选择脉冲手工钨极氩弧焊机，可有效控制热输入量，热影响区受温度的影响小，能降低可热处理强化铝合金热影响区金属软化的倾向。

2）可热处理强化铝合金的焊接裂纹缺陷修复时，可分别选择两种焊接材料（ER4043和ER5183焊丝）来焊接，其中ER5183焊丝是用来焊接wMg＞2%的可热处理强化铝合金。它们具有较好的耐蚀性和较高的强度，母材焊接变形小、抗裂性好，都能保证焊缝的使用性能和要求，解决了不同的可热处理强化铝合金焊接材料选择难的问题。

3）可热处理强化铝合金的裂纹焊接修复过程中，打底层和填充层采用带圆头的小铁锤在焊道表面进行锤击，盖面层焊缝表面和两侧母材用木锤进行锤击，可消除焊接接头的较多应力、细化晶粒，以及降低焊接部位应力集中，强化焊接接头，能有效地防止焊接接头裂纹产生。