在Al—Si合金共晶組織中,Si相在鑄態下呈現捲曲的片狀,金相截面呈線狀,其力學性能不佳,但能接受其它合金元素的變質處理,使得Si相變成樹枝狀,金相截面成蠕狀,再經一定的保溫處理Si相會進一步變成球粒狀。變質的釺料在釺焊后仍能保持某些變質結構,使得釺縫的強度大大提高。除此之外,釺焊后的冷卻速度也會影響到Si相的組織形態。隨著冷卻速度的加快,Si相組織將會進一步細化[6]。但是,不能為了追求快的冷卻速度,而對釺焊剛剛結束的釺縫採用水冷的方法進行冷卻,這會引起很大的激冷變形。
氯化物釺劑的吸濕性不但使得它保管和使用不便,而且焊后的清洗十分費事並有廢水的污染。而氟鋁酸鹽釺劑粒度細、比表面大,在水中溶解度很小,易在水中懸浮,且不含遊離的KF,無腐蝕性。通常情況下,氟鋁酸鹽釺劑不適合於火焰釺焊,這是因為可燃氣體燃燒后的廢氣主要是水蒸氣,而高溫使得KAlF4水解,氧化鋁殘渣增多,要費很多的釺劑才能完成釺焊且接頭不美觀。有經驗的焊工常在焊接前將工件充分預熱,盡量縮短火焰和釺劑的接觸時間才能獲得較滿意的接頭。方艙鋁合金門窗框的釺焊由於採用葯芯Al-Si焊絲,這樣的焊絲在焊接前不用在工件表面塗抹釺劑,當預熱溫度達到釺焊溫度時直接將焊絲加到焊縫處,使焊絲熔化,釺劑去除氧化膜、釺料漫流入縫,這在很大程度上縮短了火焰和釺劑的接觸時間,使得火焰釺焊在使用氟鋁酸鹽釺劑時具有了理想的工藝性。
2.3 變形控制
由於焊接熱加工過程中加熱的不均勻性,不可避免的存在焊接變形問題,必須設計實用的焊接工裝,以保證有效地解決成型門窗的「鼓肚」變形現象。針對焊接過程的熱變形,進行了下述有限元計算。鋁型材的三維圖樣如圖1所示。
在計算機有限元數值模擬過程中,假設1700mm鋁型材一端固定,另一端加熱到590℃,經過熱穩定過程,形成如圖2所示的溫度分布圖和圖3所示的應力分布圖。在熱應力的作用下,鋁型材發生「鼓肚」變形,變形狀況如圖4所示,其中變形的最大值約為0.8mm。
圖1鋁型材的三維圖樣
圖2 溫度場有限元分析結果
鋁合金在焊接受熱時比較軟,線膨脹係數比其它金屬要大約1/3,因此夾具必須採用撓性較好的材料,且盡量減少本身的體積和質量。對於火焰釺焊最好採用不鏽鋼或發藍處理的鋼材以免使夾具和鋁合金母材在釺焊時被焊在一起。在裝配時應盡量保證使焊接接頭處於空氣中,這可避免熱量傳遞不均而帶來的焊不透等缺陷,還可提高加熱效率。
圖3 熱應力有限元分析結果
圖4 鋁型材發生焊接變形圖樣
工裝夾具在防止焊接變形的同時也必須保證當母材達到釺焊溫度時,接頭之間尚留有一定的間隙。合適的間隙能保證釺料的均勻流布,避免釺縫的應力分佈不均勻及夾渣等缺陷。除此之外,工裝夾具對防止焊后可能出現的微裂紋也具有很重要的作用。
根據焊接變形情況和鋁合金釺焊對工裝夾具的要求,設計了如圖5所示的工裝夾具,有效保證了焊接變形控制在生產允許的範圍內。
3.工藝過程
3.1 焊前清洗
(1)用丙酮去除工件表面的油污;
(2)將工件浸入60℃、質量分數為10%的NaOH溶液中鹼洗20s后取出,並用清水沖洗乾淨;
(3)將工件浸入質量分數為20%的HNO3溶液中亮蝕30s后取出,用清水沖洗乾淨,並用壓縮空氣吹乾,備焊。
3.2 焊接過程
將按工藝要求清理裝卡固定好的工件用火焰預熱均勻,當溫度接近釺料熔點時,將加有釺劑的葯芯焊絲預熱,當溫度高於釺料熔點20~50℃時,迅速將葯芯焊絲放在焊縫處,釺劑熔化清除氧化膜,而釺料借工件上熱量熔化,並迅速濕潤,漫流填縫。焊后需將工件自然冷卻至100℃以下再放入清水中清洗,以防工件激冷變形。
3.3 焊后處理
(1)將工件表面殘渣用毛刷清理乾淨;
(2)將工件放入質量分數為10%的NaOH溶液中鹼洗10~20s,然後再用清水沖洗乾淨;
(3)將工件放入質量分數為20%的HNO3溶液中亮蝕30s,然後用清水沖洗乾淨再用壓縮空氣吹乾。