异种铝合金机匣焊缝裂纹分析及工艺改进

[摘 要]某型发动机一机匣组件是由铝合金铸件ZL114A机匣体及铝合金锻件2A70机匣外罩通过氩弧焊焊接而成。该机匣在焊后车削端面时，焊缝存在一条周向裂纹。本文分析裂纹的性质为过载断裂，与焊缝存在未熔合有关。并通过将焊接坡口改为U型，增加焊前预热，焊前对零件进行化学清洗和机械打磨的方式来控制焊缝未熔合的形成。

[关键词]铝合金机匣 焊缝裂纹 未熔合 工艺改进

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0053-01

某型发动机一机匣是由机匣体及机匣外罩通过手工氩弧焊焊接而成。机匣体是牌号为ZL114A铸件，焊前状态为T6。机匣外罩是牌号为2A70的锻件，焊前状态为淬火时效。

1 裂纹分析及结果

1.1 外观检查

机匣外罩与机匣体氩弧焊焊缝部位可见一条长度约180mm的周向裂纹，裂纹位于焊缝中间部位（焊缝已经过车削加工）图1。

1.2 断口分析

1.2.1 断口宏观分析

裂纹经人工打开后，经外观及实体放大镜宏观观察，裂纹匹配面仅有较小的区域{尺寸为30×（1～2）mm}可见断裂特征形貌，该区域呈过载断裂特征，断裂起始于焊缝背面，该部位可见焊接未熔合特征形貌。其余大部分匹配面区域均无未见任何断裂特征形貌，两匹配面均呈焊接未熔合形态，见图2。

1.2.2 断口微观分析

经扫描电镜放大检查，具有断裂特征的区域断面呈准解理断裂特征，起始于焊缝背面，该部位可见焊接未熔合特征形貌，见图3。其他部位匹配面呈焊接未熔合形貌，未见断裂痕迹，见图4。

1.3 金相分析

1.3.1 焊接质量检查

在裂纹附近及其对面部位分别切取金相试样检查，焊缝质量检查结果：裂纹部位存在长约3.0mm的未熔合；裂纹对面部位焊缝存在长约2.8mm未熔合。

1.3.2 显微组织检查

分别对机匣体、机匣外罩以及焊缝进行显微组织检查，结果如下：机匣体基体组织正常，显微组织为α（Al）+第二相，疏松小于0.5级，未见过热过烧现象；机匣外罩基体显微组织正常，为α（Al）+第二相，未见过热过烧现象；焊缝内部显微组织为铸态枝晶组织，焊缝内部可见多个孔洞。

1.4 成分分析[1] [2]

对机匣体、机匣外罩基体进行化学成分定量分析，对焊缝部位进行扫描电镜能谱分，分析结果显示基体材料和焊丝符合相关技术标准的要求。

1.5 显微硬度

机匣体、机匣外罩及焊缝显微硬度检查结果：机匣体（ZL114A）：63.4HV0.3；机匣外罩（2A70）：103.2HV0.3；焊缝：78.7HV0.3。

3 分析讨论

通过上述分析，机匣体组件裂纹性质应为过载断裂，该裂纹与焊缝存在未熔合的缺陷有关。焊缝中有存在气孔，对焊缝质量也有一定影响。防止铝合金焊接未熔合的措施有：合适的焊接电流；坡口角度在可能范围内要大，清根加工时尖端半径要大；焊枪应对中，层间采用摆动焊接法等。影响铝合金焊缝中的气孔的因素有：表面清理质量、焊接参数、保护气体纯度、环境温度和湿度、焊接位置、母材和焊丝氢含量等[2]。

原有零件的坡口为带顿边的60°V型坡口，坡口根部间隙小，焊接时受热不均匀，易造成焊接未熔合缺陷。在后续的零件中通过将坡口进为U型坡口，焊缝根部半径增大，接头可达性更好，从而增加焊缝受热的面积，降低出现未熔合的几率。

铝合金焊缝气孔与其表面氧化膜清除不彻底，存在水汽有关。焊前除了对零件和焊丝进行碱腐蚀清理之外，还应进行机械打磨，这样即可最大程度上控制氧化膜的存在，进而减小焊缝中气孔，亦可对消除焊接未熔合有很大益处。同时，对零件进行焊前预热，可消除焊接区域金属表面的湿气，在焊缝起始点获得合适的熔深，也可以防止焊接裂纹[3]。通过上述改进措施后，后续零件一次性焊接合格，经X射线检查，未见未熔合缺陷，焊缝气孔数量也有明显减少，未出现焊缝开裂缺陷。

4 结论

4.1机匣体组件裂纹性质为过载断裂，与焊缝存在未熔合有关。

4.2将坡口改为U型，零件及焊丝在化学清洗的基础上增加机械打磨，零件进行焊前预热的措施可控制焊缝未熔合和气孔的形成。

参考文献：

[1] 中国航空材料手册编辑委员会。中国航空材料手册（第2版），第3卷：铝合金镁合金，北京：中国标准出版社，2001。

[2] 中国材料工程大典编委会。中国材料工程大典编委会，第23卷：材料焊接工程（下），北京：化学工业出版社，2005。

[3] 麻毓璜译。铝合金焊接手册，程度：四川科学技术出版社，1985。

作者简介：

张明敏，男，工程师，主要从事发动机零部件焊接工艺研究和应用工作。