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铝合金缺陷修复新工艺应用研究 |
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作者：郑州七一三研究所 张林贵 |
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【摘要】：本文通过应用多金属缺陷修补机对ZL115试样修补后进行的金相组织分析，以及对实际工件修补后进行的外压强度试验，证明了该新工艺修复铸铝合金或机械加工中所产生的局部缺陷是十分有效的。修复处金属组织致密，修复过程中不会引起工件变形是其突出的特点。
关键词：铝合金 缺陷 修复
说明：在另一个拉伸实验中我们已得出结论，用铸铝缺陷修补机修复缺陷处的抗拉强度符合国家相关标准的要求，在本次实验中所涉及到的一些数据及理论不再重述。
1、实验目的
批量生产的低压薄壁容器，零件大部分采用ZL115压差铸造毛坯。虽然铸件经过X光探伤检测，但是由于结构特征的限制和铸造缺陷的大小与分布的敏感方向不同，有些缺陷在X光片上不能明显呈现出来，常常在机械加工之后发现，有些直径微小的穿透性气孔只能在压力试验之后发现。这严重影响到产品质量和生产进度，甚至造成巨大经济损失。一些常规焊补方法均不能很好地满足技术要求。为了验证该项新工艺对解决铸铝零件机加后所出现的密封性和外观缺陷修复的有效性，寻找出一种铸铝件缺陷修复新途径，我们进行了大量工艺试验和必要的检测，并期望在试验完成后能形成一套正确的铸铝件缺陷修复工艺规程，用于指导缺陷修复的具体操作。
2、多金属修补机的缺陷修复机理
由于铝及其合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多属于难熔性质（如Al2O3 的熔点约为2050℃，MgO的熔点约为2500℃）加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。由于氧化膜比重同铝的比重极其接近，所以也容易成为焊缝金属的夹杂物。同时铝及其合金的线胀系数大，导热性又强，焊接时容易产生翘曲变形。这是铝及其合金焊接时颇感困难的问题。目前熔化焊中最常用的氩弧焊是靠“阴极雾化”作用，将氧化膜破碎，在氩气的保护下，使氧化膜不能重新产生。但是在焊接热处理强化处理后的铝合金时，近缝区存在强度大大削弱的现象，也不可避免的会产生翘曲变形。
多金属缺陷修补机主要用于修复铸造缺陷，它有逆变式高频+脉冲电源、可使焊丝高速旋转的焊枪和控制部分组成。其修复缺陷的机理为：利用高频+脉冲电压将气体击穿形成等离子气，从而产生温度可达6000℃以上的电火花，电火花将可熔性旋转电极（即焊丝）瞬间（10-5 —10-6秒）和与其接触的母材同时熔化，依靠瞬间高温和旋转焊丝与母材的机械摩檫及旋转电场力的综合作用，使氧化膜破碎，在氩气的保护下，使氧化膜不能重新产生，从而完成焊丝与母材的冶金结合。由于电火花作用时间短，与焊丝直接接触的母材局部熔化，铝的导热性很好，瞬间将输入的热量扩散并散失到空气中，基体几乎不产生温升，从而基体不会变形，精密铸铝件机械加工后进行缺陷的修复，而不会影响尺寸精度。修补后表面经过修锉打磨或机械加工，外观可以和基体保持一致。
3、试板制做
试板材料：ZL115
热处理状态：淬火+不完全人工时效
焊丝：S311标准铝硅焊丝
试样形式：试板开槽、开孔后用铸铝缺陷修补机进行修补后制取金相试样。
ZL115铸造铝合金和焊丝S311化学成分见表1。表1 ZL115和S311化学成分
| 牌 号 | 代 号 | 主 要 元 素 （℅） | | Si | Cu | Mg | Zn | Mn | Sb | Fe | Ti | Al | | ZAlSi5Zn1Mg | ZL115 | 4.8-6.2 | | 0.4-0.65 | 1.2-1.8 | | 0.1-0.25 | | | 余 量 | | SAlSi-1 | S311 | 4.5-6.0 | 0.30 | 0.05 | 0.10 | 0.05 | | 0.80 | 0.20 | 余 量 |
4、金相组织及分析：
用氩弧焊焊接经热处理强化铝合金时，焊接热影响区大致可分为下列几个组织区域：1）半熔化区（容易产生过烧的 区域）；2）不均匀固熔体区（固熔体局部分解的粗晶粒区域）；3）软化退火区（过时效区域）。合金在半熔化区中的状况对焊接接头的性能影响最大。焊接结构的强度基本上就取决于半熔化区的组织变化。半熔化区如果产生过烧现象，不仅更加促使在此部位形成热裂缝，而且大大降低接头的强度及塑性。热处理强化铝合金接头在静拉力试验时，往往是沿着半熔化区发生断裂。合金在半熔化区中的强度不大于合金焊前强度的50-70℅。
在半熔化区之后的不均匀固熔体区，其特征是：合金元素在晶粒周围产生不均匀的集中，晶粒比较粗大。
在不均匀固熔体区之后的软化退火区，容易产生粗大晶粒和厚度相当大的网状第二相夹杂物。
多金属缺陷修补机在进行铝及其合金的缺陷修复时，由于加在焊丝和母材之间的是瞬时脉冲电流产生瞬时超高温，使焊丝和母材瞬时熔化瞬间结晶，它没有连续存在的熔池，母材几乎不产生温升，从而不存在热影响区。它的近缝区仅仅存在一个半熔化区。很显然，在半熔化区内不会产生过烧现象，母材的金相组织没有明显变化。图1是ZL115母材的显微组织。基体为α（Al）固熔体，其上分布着强化相硅（Si）相。图3、图4、图5均是从半熔化区拍下的显微组织。可以看出半熔化区内的晶粒大小没有发生明显变化。我们从图3中看出：母材的硅（Si）相已在焊缝中出现。从图4中看出：焊缝与母材的晶粒连生生长，即焊缝的树枝状晶体沿着母材熔化的晶粒边界，并垂直于母材晶界生长。图5表明：焊缝与母材金属互相渗透，焊缝的树枝状晶体从母材的硅相开始生长。从图3、图4、图5我们可以明显看出：半熔化区的宽度十分微小，仅仅只跨越2-3个晶粒。半熔化区内晶粒的大小和母材没有任何异样，没出现粗大现象。交互结晶的情景表现得淋漓尽致。同时我们还应注意到：焊缝金属的树枝晶体非常细小而均匀。这些现象与修补过程中金属所经受的热循环特征是非常一致的。 
 
5、实际工件铸造缺陷修补试验：
有一个ф540、壁厚6毫米的铸铝壳体在作0.3MPa气密试验时发现漏气。在缺陷部位钻ф6mm深3mm孔，进行缺陷修补。焊补参数：频率600HZ、 占空比45% 、 输出幅度41% 、 转速79%，该壳体先后作10次0.3MPa
气密和0.9 MPa外压强度试验，未发现有渗漏现象。
6、试验结果及分析
试验结果显示，该新工艺在修补时不像一般的熔焊形成熔池，它是靠电火花将旋转电极即焊丝熔化，同时母材与焊丝接触部分产生局部熔化形成熔融金属的冶金结合。焊缝是非常细小的树枝晶状铸造组织，基体也是铸造组织，两者的差别在于结晶方向不一样。根本不存在热影响区对母材强度的削弱。由于母材所产生温升极小，半熔化区没有过烧现象，晶粒细小，不存在氩孤焊中所出现的不均匀固熔化区和软化退火区，不会出现热裂縫及强度、塑性下降的现象，由于此种焊补工艺不存在熔池，熔融的金属瞬间熔化、瞬间结晶，时间非常短（µms级），尽管有瞬时高温，也不会引起母材尽寸精度的变化，但是由于熔敷金属是一片一片熔化，一片一片结晶凝固，片与片之间能否致密结合与操作者的作业技巧有一定关系。
7、结论
根据以上实验结果及分析以及我们以前做的拉伸及硬度实验的数据结果，证明制件在焊补过程中，不升温、不变形，基体强度削弱程度微小，符合有关国家标准，焊补点金属致密，无烧痕，补材与母材宏观一致。我们认为采用这种焊补方法进行铸铝缺陷修补是完全可行的，我们有充分的理由将这种修补方法定义为一种新型的熔焊方法，这种新型的熔焊方法，具有极其广阔的推广应用前景。
作者简介：张林贵（1944.8—— ）男 汉族 河南人 现郑州七一三研究所 高级工程师 总工艺师 1969年毕业于西安交通大学焊接工艺及设备专业，从事专业技术研究工作35年，获部级二等成果奖一项，省级优秀成果奖一项，国家职务发明专利一项，非专利工艺发明和创新20余项，在国家一级学术刊物公开发表学术论文12篇，用于省部级和全国性学术交流论文20余篇。其研究成果创造了巨大经济和社会效益。其本人载入《中国当代发明家大辞典》。(end)
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(5/7/2005) |
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