鋁合金缺陷修復新工藝應用研究

批量生產的低壓薄壁容器，零件大部分採用ZL115壓差鑄造毛坯。雖然鑄件經過X光探傷檢測，但是由於結構特徵的限制和鑄造缺陷的大小與分佈的敏感方向不同，有些缺陷在X光片上不能明顯呈現出來，常常在機械加工之後發現，有些直徑微小的穿透性氣孔只能在壓力試驗之後發現。這嚴重影響到產品質量和生產進度，甚至造成巨大經濟損失。一些常規焊補方法均不能很好地滿足技術要求。為了驗證該項新工藝對解決鑄鋁零件機加后所出現的密封性和外觀缺陷修復的有效性，尋找出一種鑄鋁件缺陷修復新途徑，我們進行了大量工藝試驗和必要的檢測，並期望在試驗完成後能形成一套正確的鑄鋁件缺陷修復工藝規程，用於指導缺陷修復的具體操作。

2、多金屬修補機的缺陷修復機理

由於鋁及其合金的化學活潑性很強，表面極易形成氧化膜，且多屬於難熔性質（如Al2O3 的熔點約為2050℃，MgO的熔點約為2500℃）加之鋁及其合金導熱性強，焊接時容易造成不熔合現象。由於氧化膜比重同鋁的比重極其接近，所以也容易成為焊縫金屬的夾雜物。同時鋁及其合金的線脹係數大，導熱性又強，焊接時容易產生翹曲變形。這是鋁及其合金焊接時頗感困難的問題。目前熔化焊中最常用的氬弧焊是靠「陰極霧化」作用，將氧化膜破碎，在氬氣的保護下，使氧化膜不能重新產生。但是在焊接熱處理強化處理后的鋁合金時，近縫區存在強度大大削弱的現象，也不可避免的會產生翹曲變形。

多金屬缺陷修補機主要用於修復鑄造缺陷，它有逆變式高頻+脈衝電源、可使焊絲高速旋轉的焊槍和控制部分組成。其修復缺陷的機理為：利用高頻+脈衝電壓將氣體擊穿形成等離子氣，從而產生溫度可達6000℃以上的電火花，電火花將可熔性旋轉電極（即焊絲）瞬間（10-5 —10-6秒）和與其接觸的母材同時熔化，依靠瞬間高溫和旋轉焊絲與母材的機械摩檫及旋轉電場力的綜合作用，使氧化膜破碎，在氬氣的保護下，使氧化膜不能重新產生，從而完成焊絲與母材的冶金結合。由於電火花作用時間短，與焊絲直接接觸的母材局部熔化，鋁的導熱性很好，瞬間將輸入的熱量擴散並散失到空氣中，基體幾乎不產生溫升，從而基體不會變形，精密鑄鋁件機械加工後進行缺陷的修復，而不會影響尺寸精度。修補后表面經過修銼打磨或機械加工，外觀可以和基體保持一致。

3、試板製做

試板材料：ZL115
熱處理狀態：淬火+不完全人工時效
焊絲：S311標準鋁硅焊絲
試樣形式：試板開槽、開孔後用鑄鋁缺陷修補機進行修補后製取金相試樣。
ZL115鑄造鋁合金和焊絲S311化學成分見表1。

4、金相組織及分析：

用氬弧焊焊接經熱處理強化鋁合金時，焊接熱影響區大致可分為下列幾個組織區域：1）半熔化區（容易產生過燒的區域）；2）不均勻固熔體區（固熔體局部分解的粗晶粒區域）；3）軟化退火區（過時效區域）。合金在半熔化區中的狀況對焊接接頭的性能影響最大。焊接結構的強度基本上就取決於半熔化區的組織變化。半熔化區如果產生過燒現象，不僅更加促使在此部位形成熱裂縫，而且大大降低接頭的強度及塑性。熱處理強化鋁合金接頭在靜拉力試驗時，往往是沿著半熔化區發生斷裂。合金在半熔化區中的強度不大於合金焊前強度的50-70?。在半熔化區之後的不均勻固熔體區，其特徵是：合金元素在晶粒周圍產生不均勻的集中，晶粒比較粗大。在不均勻固熔體區之後的軟化退火區，容易產生粗大晶粒和厚度相當大的網狀第二相夾雜物。

表1 ZL115和S311化學成分

牌號代號主要元素（?）

  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

多金屬缺陷修補機在進行鋁及其合金的缺陷修復時，由於加在焊絲和母材之間的是瞬時脈衝電流產生瞬時超高溫，使焊絲和母材瞬時熔化瞬間結晶，它沒有連續存在的熔池，母材幾乎不產生溫升，從而不存在熱影響區。它的近縫區僅僅存在一個半熔化區。很顯然，在半熔化區內不會產生過燒現象，母材的金相組織沒有明顯變化。圖1是ZL115母材的顯微組織。基體為α（Al）固熔體，其上分佈著強化相硅（Si）相。圖3、圖4、圖5均是從半熔化區拍下的顯微組織。可以看出半熔化區內的晶粒大小沒有發生明顯變化。我們從圖3中看出：母材的硅（Si）相已在焊縫中出現。從圖4中看出：焊縫與母材的晶粒連生生長，即焊縫的樹枝狀晶體沿著母材熔化的晶粒邊界，並垂直於母材晶界生長。圖5表明：焊縫與母材金屬互相滲透，焊縫的樹枝狀晶體從母材的硅相開始生長。從圖3、圖4、圖5我們可以明顯看出：半熔化區的寬度十分微小，僅僅只跨越2-3個晶粒。半熔化區內晶粒的大小和母材沒有任何異樣，沒出現粗大現象。交互結晶的情景表現得淋漓盡致。同時我們還應注意到：焊縫金屬的樹枝晶體非常細小而均勻。這些現象與修補過程中金屬所經受的熱循環特徵是非常一致的。

5、實際工件鑄造缺陷修補試驗：

有一個ф540、壁厚6毫米的鑄鋁殼體在作0.3MPa氣密試驗時發現漏氣。在缺陷部位鑽ф6mm深3mm孔，進行缺陷修補。焊補參數：頻率600HZ、占空比45% 、輸出幅度41% 、轉速79%，該殼體先後作10次0.3MPa氣密和0.9 MPa外壓強度試驗，未發現有滲漏現象。

6、試驗結果及分析

試驗結果顯示，該新工藝在修補時不像一般的熔焊形成熔池，它是靠電火花將旋轉電極即焊絲熔化，同時母材與焊絲接觸部分產生局部熔化形成熔融金屬的冶金結合。焊縫是非常細小的樹枝晶狀鑄造組織，基體也是鑄造組織，兩者的差別在於結晶方向不一樣。根本不存在熱影響區對母材強度的削弱。由於母材所產生溫升極小，半熔化區沒有過燒現象，晶粒細小，不存在氬孤焊中所出現的不均勻固熔化區和軟化退火區，不會出現熱裂?及強度、塑性下降的現象，由於此種焊補工藝不存在熔池，熔融的金屬瞬間熔化、瞬間結晶，時間非常短（µms級），儘管有瞬時高溫，也不會引起母材盡寸精度的變化，但是由於熔敷金屬是一片一片熔化，一片一片結晶凝固，片與片之間能否緻密結合與操作者的作業技巧有一定關係。

7、結論

根據以上實驗結果及分析以及我們以前做的拉伸及硬度實驗的數據結果，證明製件在焊補過程中，不升溫、不變形，基體強度削弱程度微小，符合有關國家標準，焊補點金屬緻密，無燒痕，補材與母材宏觀一致。我們認為採用這種焊補方法進行鑄鋁缺陷修補是完全可行的，我們有充分的理由將這種修補方法定義為一種新型的熔焊方法，這種新型的熔焊方法，具有極其廣闊的推廣應用前景。