铝合金焊接问答 | 铝合金焊接坡口设计与焊缝裂纹敏感性的关系

问题

有人和我说在使用5356焊丝焊接6061-T6母材时,焊接接头的坡口设计焊缝的裂纹敏感性有较大影响。这是真的吗?如果是的话,坡口形式是如何影响裂纹敏感性的?

回答

大多数的铝合金都可以成功的实现电弧焊接,并且不会出现焊接裂纹问题,但是所有成功的焊缝均基于选择合适的焊接材料,并在操作过程中采用经过验证测试合格的焊接程序和工艺。

热裂纹是铝焊接件中最容易出现的裂纹,它是一种高温裂纹,其形成机制主要与金属合金体系的凝固过程有关系。

那么,焊缝的坡口设计真的能影响热裂纹敏感性吗?实际上在铝焊接结构中,有三个方面可以显著影响热裂纹发生的概率的概率,下面将我们将一一介绍。

1.母材化学成分

母材中含有易受影响的化学元素成分往往会具有较高的裂纹敏感性,由于6061母材中硅化镁(Mg2Si)成分在1.5%左右,因此该母材的裂纹敏感性非常接近峰值。所以我们通常不建议对6xxx系列母材进行自熔焊接(不添加焊接材料)。即使在添加焊接材料时,也要考虑使用那些能够有效改善焊缝金属化学成分并且可以避免裂纹发生的焊接材料。

2.合适焊接材料的选择和使用

为了防止裂纹敏感的焊缝金属化学成分的形成,6xxx系列母材通常使用4xxx(5%硅)或5xxx(5%镁)的焊接材料进行焊接,两者的化学成分均与母材金属有显著差异。使用这些焊接材料有助于改变焊缝金属化学成分(即填充金属和基体金属的混合)和降低焊缝金属的裂纹敏感性。当用5356 (5% Mg)焊接这种母材时,必须添加足够的焊接材料,确保焊缝中有足够的Mg含量,这样才有利于降低焊缝的裂纹敏感性。而这通常可以通过坡口设计,进而对这种5% Mg的焊接材料填充量进行控制来实现。

3.选择最合适的接头设计形式

焊缝设计对母材和填充材化学成分的稀释率有较大影响。

进而会影响焊缝金属的化学成分,并对热裂纹的敏感性产生影响。

当我被问及铝合金的焊接问题时,我给他们的解释通常是“焊缝的化学成分控制是焊接成功的关键。”

那么焊接接头的结构设计到底是如何影响焊接裂纹敏感性的呢?

图1所示是焊接接头结构设计对裂纹敏感性产生影响的最好解释。这里我们可以看到两种焊接接头均由6061母材制成,但是两者的接头形式不一样,一种是直边无坡口,另外一种是单边V型坡口。证实两者的坡口形式决定了焊缝金属的化学成分,从而对裂纹的敏感性产生了影响。从图中我们可以看出俩种焊接接头选用的焊接材料均为5356(Mg含量5%,是焊接6061母材的常用焊接材料)。但是从每个焊缝的近似稀释率来计算可以看出,直边无坡口接头的焊缝金属Mg含量约为1.8%,而单v型坡口焊缝由于添加5% Mg的焊接材料比例较大,因此焊缝金属中的Mg含量约为3.4%。那么正如图1所提出的问题,这两种接头形式哪一种的热裂纹敏感性更高?
图1-焊接接头结构设计对焊缝金属化学成分的影响
这个问题可以由图2来解答。
图2-铝合金中Mg含量对裂纹敏感性的影响
图2所示为铝合金的裂纹敏感性图表之一。这张图表说明了镁元素对铝合金裂纹敏感性的影响规律。图中x轴表示的是铝合金中镁元素的百分比,y轴表示与镁含量有关的相对裂纹敏感性水平。经过图1已经计算出直边焊缝和单边v型焊缝的Mg含量分别为1.8%和3.4%,这两种化学成分在裂纹敏感性曲线上的相对位置如图2所示。从图2中可以看出,由于稀释比的不同,单边v形坡口焊缝的裂纹敏感性要低于直边无坡口焊缝。

如前所述,6061母材也可用4xxx系列焊接材料进行焊接。当采用4043或4943焊接材料时,接头设计仍然很重要。此时我们关注的不再是铝镁元素的裂纹敏感性曲线,这个时候镁硅化物(Mg2Si)的裂纹敏感性曲线最为重要。采用含5%硅的焊接材料,可以降低Mg2Si的裂纹敏感性。此外,使用含有5%硅的焊接材料还有其他好处,因为硅元素的添加,能够降低熔点温度,提高流动性,降低凝固温度,减小焊接收缩。
结论:

焊接接头的结构设计在一定条件下会对铝合金的焊接接头裂纹敏感性产生影响。通常,这在焊接具有裂纹敏感性化学成分的铝合金时表现得最为明显,这种化学成分需要通过焊接稀释进行改性,从而降低裂纹敏感性。

作者简介:

TONY ANDERSON 是北美ITW公司铝合金焊接的技术总监。他是英国焊接学会(TWI)会员,英国工程委员会注册特许工程师,并在AWS技术委员会担任多个职位。他是铝合金协会焊接技术咨询委员会主席,著有《AWS铝合金焊接问答》一书。如果你有此方面的问题可以通过向tony.anderson@millerwelds.com发电子邮件进行咨询。

本文摘自:Welding Journal《焊接杂志》 2019年6月刊

作者:TONY ANDERSON

译者:郑州机械研究所 秦建

钎焊焊接问答 | 钎焊管接头焊接不良的原因分析

问题

我们在钢管上钎焊一个钢质配件,但有时在进行压力测试时会发生接头脱落的故障。在进行检查后发现,脱落的部件在接头处并没有实现连接。当我们钎焊完成时,从外观上看完全满足要求,在不破坏工件的情况下根本看不出来有任何缺陷,但实际上在接合部位没有填充金属。这些组件需要100%的进行压力测试,我们也是在进行打压试验时才发现这类问题。图1、图2是我们发现有问题部件的照片。

我们厂制造这种部件已经很长时间了,因此为了设法避免这些随机的、灾难性的结果发生,我们急需要解决这种问题。焊接方法我们选择的是感应钎焊,钎焊材料为BAg-24环状钎料,钎剂颜色为黑色,并且钎剂照片显示产品满足AWS A5.31,钎焊和钎剂规范的相关要求。我们采购的配件经检验无缺陷,管材也是切割成合适的尺寸,并经由我们自己的设备进行结构的组装。在钎焊前我们预先将环状钎料置于接头的位置,并在外面使用刷子刷满钎剂。我们到底是哪个环节出现了问题?
图1-失效的钎焊接头

图2-在钢管表面能够看到污染物
回答

首先非常感谢你能够给我提供这种工件失效的照片,这种随机性出现的工件连接失败问题确实会让制造商感到忧虑。

从照片上可以看出,钎焊过程中钎料已经熔化,但是仅停留在钢质配件表面,发生这种钎焊材料不向接头内部铺展润湿并填充的现象可能有以下几种原因。

1.在钎焊接头中有油类或其他种类的污染物,导致钎剂无法渗入接头,限制了钎剂的清洁作用

相比钎焊材料,钎剂在较低的温度下发生熔化并渗入到接头,钎剂渗入接头之后会减少氧化物的存在,随后熔化的钎料才能够进行铺展润湿和填充。如果接头位置存在严重的污染,这种正常的钎焊过程就不会发生。即使钎剂已经渗透到接头之中,也不能成功地清除污染物。钎剂的使用是为了去除较薄的氧化层,并且在加热过程中吸收氧气,如果钎焊接头中污染过多,虽然钎剂可能将部分污染物排出钎缝,但它无法对钎焊接头进行彻底的清洗。大多数的污染物仍然处于接头的内部,从而影响接头的质量。从图2中我们可以看到钎料合金并没有渗入接头,并且在钢管表面还是能观察到一些污染物。

2.钎焊接头装配间隙过大或过小也可能会产生这种现象

熔融的银钎料需要在紧密贴合的表面才能发生毛细作用。通常来说在保证毛细作用发生的前提下,获得最大钎焊接头强度的装配间隙是0.0015英寸(0.038毫米)。当然你可以增加接头间隙,但很可能带来的是毛细作用的消失。接头间隙过小也可能消除毛细作用。银钎料需要足够的接头间隙才能流动。不过值得注意的是,我们讨论的是钎焊温度下的接头间隙,所以你应该对你钎焊母材的热膨胀系数和导热系数有正确的认识。室温下装配出的接头间隙可能在钎焊温度下并不使用。同时错误的加热方式也可能导致钎料不能正确地进行熔化和流动。熔融的钎料通常向接头最热的部分进行流动,从图中可以看出你应该是想通过加热配件使钎料渗透进钎焊接头。虽然在生产过程中为了确保工艺的一致性,你可能已经将夹具和感应线圈固定在了确切的位置,但是你可以通过改变工件在感应线圈中的位置进行钎料合金流动方向的调节。

3.钎剂的错误使用也可能是这种缺陷产生的原因

你需要正确的使用钎剂,确保钎剂质量的一致性、钎剂用量的准确性。同时要保证钎剂位置的正确性,并对不同位置的钎剂量进行合理的控制。另一方面。不同的钎焊操作人员混合钎剂的方式也有所不同,同时由于温度和湿度的不同,钎剂在一天或一个季节的不同过程也会有所不同。

4.钎料环过松或者位置放置错误

钎料环需要需要紧固在焊接管件上,并与管件保持物理接触。感应线圈应对管和配件进行加热,钎料环通过热传导发生熔化。如果钎料预置不合适,由于它和管子之间的间隙较大,钎料熔化后就只会在钢配件顶部依附,不向接头内部渗透。

之所以你说接头外观看上去还可以,这很可能是残留的钎剂将工件粘接到了一起,或者是接头内部有部分熔合,但是面积很小。不过还好你进行了压力测试,有的时候这些看似完整的接头足以通过低压泄漏测试,但是却不能实质性的应对实际的工况。钎剂是一种盐类,在熔化后会变成玻璃状的残渣。这些残留的钎剂很麻烦,因为在不打压的情况下你可能看不出接头有任何问题,但是一旦装配使用后,这些钎剂的脱落就会使接头发生泄漏,导致产品在使用过程中发生失效。

在你提供的照片中可以看出在在配件和管接头区域有燃烧物质。在经过分析之后,我觉得最有可能导致出现这一情况的原因是污染物的存在。制造过程中的油脂、防锈剂和类似的材料均应该在钎焊前去除。在焊接前应该参照相应的程序并采取合适的方法进行接头的清理和洁净度检查。

虽然污染物是导致这一现象产生的一个因素,但是我们也可以看到实际上还是有一些钎料流入了钎焊接头中,所以我们这些操作人员应该了解钎料环的预置位置对于装配总成安全可靠的重要性。即使怀疑有污染,我仍然希望看到一些钎焊填充金属流入接头。操作人员需要了解钎焊环如何安装在总成上的重要性。由于钎料在配件的顶部集中凝固,并形成瘤状,所以我认为预置的钎料可能与管子也存在接触不良的问题。

我们在钎焊时应对零件公差、设备和工艺程序进行彻底的查验,发现那些在钎焊时不可接受的条件变量,并做到完全避免。因此我们建议在钎焊时应该在以下6个方面加以考虑:

良好的装配和合适的间隙

焊前清理

装配和固定得当

适当的钎剂

装配件的焊接加热

钎焊后的清理

我看着文斯·隆巴迪(Vince Lombardi)的《绿湾包装工队》(Green Bay Packers)长大。我记得他说过拦网和抢断的重要性,你所需要做的就是比你的对手做得更好。钎焊和这些足球比赛是相类似的,你需要注意焊接基础。所以上面所列的6个方面应该是你在钎焊时需要留意的问题。客观的说,从我的钎焊职业生涯来看,当钎焊出现问题时,产生的原因基本上可以归结于你对上述的6个方面中的某一方面缺乏足够的重视。

作者简介:

本文作者TIM P. HIRTHE (timhirthe@bellmanmelcor),Bellman-Melcor有限公司的的技术销售人员。

本专栏分别由TIM P. HIRTHE、ALEXANDER E. SHAPIRO和DAN KAY依次撰写。Hirthe和Shapiro是C3钎焊委员会的成员,Kay是该委员会的顾问。这三家公司都参与了美国焊接学会的钎焊手册编写工作。

如果你有任何钎焊问题,你可以将你的问题通过电子邮件发送到作者又想cweihl@aws.org,或邮寄到welding journal杂志社,佛罗里达州迈阿密市130号西北36街8669号,邮编33166

本文摘自:Welding Journal《焊接杂志》 2019年6月刊

作者:TIM P. HIRTHE

译者:郑州机械研究所 秦建
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