六、如何進行LC9CS超硬鋁合金的焊接？

LC9CS超硬鋁合金因其具有高強度、高斷裂韌性和良好的熱加工性能，在各個領域應用相當廣泛。例如，在航空航天領域用于制作飛機蒙皮、機身框架、大梁、旋翼、螺旋槳、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭鍛環、宇宙飛船壁板等；在交通運輸領域用于汽車、地鐵車輛、鐵路客車、高速客車的車體結構件材料，車門窗、貨架、汽車發動機零件、空調器、散熱器、車身板、輪轂及艦艇用材等。但超硬鋁合金LC9CS在理論上焊接性較差，焊接時容易出現氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷，抗拉強度往往也達不到設計要求。針對LC9CS超硬鋁合金的焊接難點，目前有關研究人員經過相關試驗和研究，解決了在現有設備條件下LC9CS超硬鋁合金焊接工作出現的難題。

LC9CS超硬鋁合金的化學成分與美國7075合金基本相同，屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，LC9CS技術條件規定的最低性能（例如厚度為0.5～2.5mm的板材）：σb=490MPa，σ0.2=420MPa，δ=7％。LC9CS超硬鋁合金是在Al-Zn-Mg系合金的基礎上添加了Cu、Cr、Mn、Zr等元素，所以進一步提高了力學性能。

LC9CS超硬鋁合金的焊接特點表現為：

（1）鋁合金表面易形成氧化膜，形成的氧化膜阻礙其基體金屬的熔合，致使焊接中焊縫極易產生夾渣，導致焊后焊縫的機械性能明顯下降。

（2）鋁在高溫時吸氫嚴重，焊接過程中加熱后熔化的焊縫金屬吸收大量的氫氣，焊縫冷卻時氫氣的逸出速度卻很慢，而焊接過程中是小熔池，冷卻速度相當快。這樣，氫氣在焊縫快速冷卻與凝固時來不及逸出，易在焊縫中聚集，從而形成氣孔。

（3）LC9CS超硬鋁合金的熱脹冷縮現象比較嚴重，焊接的構件易產生較大的焊接變形和內應力，尤其是剛性較大的結構在焊接應力與外力作用下將導致裂紋的產生。

（4）焊接中，LC9CS超硬鋁合金中的合金元素易揮發、燒損，從而改變焊縫金屬的化學成分，使焊縫性能下降。

有研究者在試驗中發現，經過堆焊的LC9CS超硬鋁合金零件采用純鋁焊絲S301焊接，焊接后發現其抗拉強度試驗結果不能滿足堆焊層及熱影響區與基體等強度這一要求。后來選用含少量Ti的鋁鎂合金焊絲S331，耐蝕性及抗熱裂性能均較好，且強度高。選用的鋁鎂合金焊絲S331，其化學成分為：5.8％～6.8％Mg，0.5％～0.8％Mn，0.02％～0.10％Ti，余量為Al，雜質含量小于1.2％。試焊后接頭抗拉強度為550MPa，大于設計要求的強度（490MPa）。

為保證LC9CS超硬鋁合金焊接質量穩定可靠，可以采用目前應用較為普遍的鎢極氬弧焊（TIG焊）進行焊接。但焊前必須采取特殊工藝措施清除工件及焊絲表面的氧化膜，調整合理的焊接工藝參數，避免LC9CS焊后工件上的堆焊層出現氣孔、裂紋、夾渣、未熔合等缺陷。

為防止LC9CS焊接過程中產生各種缺陷，進行TIG焊接或補焊過程中，應針對可能出現的缺陷，對其產生原因進行分析，并采取有效的預防措施。

例如，LC9CS焊接過程中產生氣孔的原因主要是氫氣的作用。焊接過程中，由于高溫時Al可強烈地吸收與溶解氫，冷卻時鋁對氫的溶解度急劇下降，因而氫容易在焊縫中聚集而形成氣孔。另外，Al合金表面的氧化膜也可吸收較多的水分，焊接過程中分解放出氫氣，這也是產生焊縫氣孔的主要原因之一。

對于多層焊接，由于多層堆焊，焊層金屬在多次熔化結晶過程中溶入大量氣體而來不及逸出，極易形成氣孔。因此，對于氣孔的預防，一是嚴格清除工件待焊處及焊絲表面的氧化膜（氧化膜吸有水分）；二是采用純度高的氬氣進行保護，例如采用純度為99.9％以上的氬氣作保護氣體，使金屬熔池和填充金屬不被氧化；三是有條件時可將工件放入烘箱進行預熱，這樣一方面可清除構件上的水分，另一方面也使焊接的溫度梯度降低，防止焊接過程中產生過燒現象；四是構件焊接完成后應對焊件采用保溫緩冷措施，降低熔化金屬的冷卻速度，有利于氣泡的逸出。

LC9CS鋁合金焊接過程中如果應力控制不好還會產生裂紋。產生焊接裂紋的主要因素一般與母材及焊絲的化學成分、焊接工藝參數選擇有關。

為預防LC9CS鋁合金焊接過程中產生裂紋，焊接中主要注意以下幾個問題：

一是，盡量選用出現裂紋幾率小的S331防銹鋁合金填充焊絲進行堆焊。這種焊條焊接后，一方面可以滿足焊縫的“等強度”要求，另一方面也可防止產生裂紋。

二是，焊接時盡量采用較小的焊接規范，以焊接電流50～75A、噴嘴直徑5mm、鎢絲直徑1.5mm、氬氣流量15～20mL/min為宜。

三是，焊前最好將焊件與焊絲進行預熱，預熱可顯著降低焊接應力，防止裂紋產生。

為防止在焊接LC9CS鋁合金時產生夾渣、未熔合等較嚴重的焊接缺陷，焊接過程中焊件的氧化膜清理非常重要。夾渣、未熔合的產生一般是由于鋁件表面的氧化膜（Al2O3）未清除干凈，在操作過程中基體金屬未熔化就填加焊絲，焊槍偏擺過大，造成熔池氬氣保護不好等原因形成的。焊接時，只要對以上不利因素進行排除或改善，便可防止LC9CS鋁合金焊接過程中的夾渣、未熔合等缺陷的產生。

為使焊接后的LC9CS鋁合金焊縫達到等強度要求，有研究者采用脈沖氬弧焊方法對LC9CS超硬鋁試樣進行了對接焊接，其焊接的試樣尺寸為120mm×60mm×2.5mm，選用手工氬弧焊機WP300（PANA-TIG）。焊接工藝參數為：脈沖電流Im=100A，基值電流IJ=50A，占空比k=40％，頻率f=2Hz。選用焊絲的主要化學成分為：Mg=6.28％，Zn=1.2％，Mn=0.52％，Ti=0.12％，Zr=0.15％，Re=0.65％，Fe=0.23％，其余為Al。焊絲直徑不大于2.0mm。為提高焊后焊接接頭強度，對焊接試樣進行了熱處理。熱處理參照超硬鋁合金常規熱處理工藝并經試驗確定，其工藝路線為：加熱至475℃保溫30min，快速水淬，再將焊件放置在135℃的溫度下時效12～16h。按照GB/T 2651—2008焊接接頭拉伸試驗法測試接頭的抗拉強度，焊接接頭在焊接狀態和淬火加人工時效狀態的抗拉強度測試結果見表1-1。可見，焊接接頭經淬火加人工時效處理后，其抗拉強度達480MPa，接近母材，比原始焊態約提高80％。

在實際焊接結構中，如結構較大不能采用整體熱處理，可考慮采用局部熱處理方法（如履帶式電熱板加熱器等）。

按照以上方法，有關企業對已經焊接的幾千件LC9CS零件的堆焊性能進行了分析。分析結果表明，對于焊接性差的超硬鋁，只要選擇與基體材料匹配的焊絲，在焊接過程中調整合理的焊接工藝參數，采取有效的預防氣孔、裂紋、夾渣、未熔合等措施，便可防止焊接缺陷的產生并得到質量良好的焊接零件。