鋁合金熱處理工藝分析探討

劉小東++崔猛

摘 要：鋁合金具有很先進的工藝性，同時還具有很好的焊接功能，熱處理能夠改變金屬和合金的性能，一般的鋁合金都要通過熱處理來提高機械性能和其他性能。同時，使用熱處理工藝可以提高耐腐蝕性，增加穩(wěn)定性，還可以改善焊接加工的性能，鋁合金及其熱處理工藝在工業(yè)上擁有廣泛的應(yīng)用。本文對鋁合金熱處理工藝進行探討，并針對鋁合金焊接中常見問題及預(yù)防措施進行簡單論文。

關(guān)鍵詞：鋁合金 熱處理 焊接

1、鋁合金分類

鋁合金是鋁金屬與添加材料在高溫下共同發(fā)生作用后形成的金屬材質(zhì)。一般來講，鋁合金的分類原則是可以從不同的角度進行區(qū)分。按照生產(chǎn)工藝的不同可以分為鑄造鋁合金和變形鋁合金；按照熱處理能力的不同可以分為可熱處理強化鋁合金和不可熱處理強化鋁合金；而按照鋁合金材料的性能屬性又可以分為高塑性鋁合金、高強度鋁合金、中強度鋁合金、熱強鋁合金和耐蝕鋁合金。

2、鋁合金熱處理特點

“熱處理”這一名詞，從廣義上講，是指改變金屬產(chǎn)品的機械性能，冶金機構(gòu)或殘余應(yīng)力狀態(tài)的任何加熱和冷卻操作。但是，這名詞用于鋁合金時，經(jīng)常僅僅是指，其目的在于提高沉淀硬化鍛壓和鑄造合金的強度和硬度的特定操作。這些合金通常稱為“熱處理”合金，用于區(qū)別那些不可通過加熱和冷卻而顯著強化的合金。即一般所謂“非熱處理”合金。后一類合金，當其處于鍛壓形式時，主要是靠冷加工來提高強度。這兩類合金都可以通過加熱來降低強度和提高延性（退火）。這是的冶金反映，隨合金類型和軟化程度而有所不同。

鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規(guī)范，控制加熱速度，升到某一相應(yīng)溫度下，保溫一定時間，并以一定得速度冷卻，從而改變其合金的組織，其主要目的是提高合金的力學性能，并增強耐腐蝕性能，提高合金的機械強度和硬度，改善金相組織，保證合金有一定的塑性和切削加工性能、焊接性能。

3、熱處理方法

3.1退火處理

內(nèi)應(yīng)力作為嚴重影響鋁合金質(zhì)量的重要因素，常中表現(xiàn)為內(nèi)應(yīng)力不均勻，組織結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，一旦測得金屬內(nèi)有殘留內(nèi)應(yīng)力，鋁合金的綜合性能勢必大打折扣，可能直接出現(xiàn)塑性降低、耐蝕性減弱、機械性能損失等狀況。退火工藝正好能夠消除或者減少這些工藝缺陷。其工藝是：將鋁合金鑄件加熱到280 -300℃，保溫2-3h，隨爐冷卻到室溫，使固溶體慢慢發(fā)生分解，析出的第二質(zhì)點聚集，從而消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力，達到穩(wěn)定尺寸、提高塑性、減少變形、翹曲的目的。

3.2淬火

淬火工序就是工業(yè)操作中的固溶處理。影響淬火的因素也包含熱處理的加熱溫度，保溫時間和冷卻溫度。一般情況下，如果淬火加熱溫度值和保溫時間取值越大，則強化相溶解的物理過程越充分，晶體的晶格中排列分布合金元素的狀態(tài)也就是越均勻，晶格中的格局變化后，其空位濃度將相應(yīng)增加，能較好地促進合金時效作用的提高。

3.3時效處理

時效處理，又稱低溫回火，是把經(jīng)過淬火的鋁合金鑄件加熱到某個溫度，保溫一定時間出爐空冷直至室溫，使過飽和的固溶體分解，讓合金基體組織穩(wěn)定的工藝過程。

3.4循環(huán)處理

把鋁合金鑄件冷卻到零下某個溫度（如-50℃、-70℃、-195℃）并保溫一定時間，再把鑄件加熱到350℃以下，使合金中度固溶體點陣反復(fù)收縮和膨脹，并使各相的晶粒發(fā)生少量位移，以使這些固溶體結(jié)晶點陣內(nèi)的原子偏聚區(qū)和金屬間化合物的質(zhì)點處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)，達到提高產(chǎn)品零件尺寸、體積更穩(wěn)定的目的。這種反復(fù)加熱冷卻的熱處理工藝叫循環(huán)處理。這種處理適合使用中要求很精密、尺寸很穩(wěn)定的零件（如檢測儀器上的一些零件）。一般鑄件均不作這種處理。

4、焊接過程中容易產(chǎn)生的缺陷及成因分析

4.1氣孔

經(jīng)過長時間的實踐結(jié)果表明，使用純氬氣做保護氣體焊接的時候，通過對焊縫接頭處斷面的微觀觀察結(jié)果顯示出現(xiàn)很多的線狀氣孔；而對使用混合氣（He-Ar-N2）做保護氣體進行焊接的時候，焊縫接頭斷面微觀結(jié)果顯示出現(xiàn)的單個的細小氣孔甚至無氣孔。

氣孔的形成原因

高強鋁合金用NaOH+HNO3進行表面處理會導(dǎo)致鋁合金表面塑性變形層吸氫和形成含水合物的不規(guī)則氧化膜，這種不規(guī)則氧化膜，對焊縫結(jié)合面的任何觸摸污染都可造成焊接氣孔；空氣濕度；對焊縫氣孔的產(chǎn)生有很大影響。

4.2裂紋

熔池金屬完全凝固之后所形成的焊縫，受到拉應(yīng)力時，就會表現(xiàn)出較好的強度和塑性，在這一階段產(chǎn)生裂紋的可能性相對來說較小。因此，當溫度高于或者低于它的脆性溫度區(qū)時，焊縫金屬都有較大的抵抗結(jié)晶裂紋的能力，具有較小的裂紋傾向。在一般情況下，雜質(zhì)較少的金屬（包括母材和焊接材料），由于脆性溫度區(qū)間較窄，拉應(yīng)力在這個區(qū)間作用的時間比較短，使得焊縫的總應(yīng)變量比較小，因此焊接時產(chǎn)生的裂紋傾向較小。如果焊縫中雜質(zhì)比較多，則脆性溫度區(qū)間范圍比較寬，拉伸應(yīng)力在這個區(qū)間的作用時間比較長，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。

裂紋的形成原因

按裂紋產(chǎn)生的溫度區(qū)間分為熱裂紋和冷裂紋，熱裂紋是在焊接時高溫下產(chǎn)生的，它主要是由晶界上的合金元素偏析或低熔點物質(zhì)的存在所引起的。根據(jù)所焊金屬的材料不同，產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)、溫度區(qū)間和主要原因也各有不同，熱裂紋又可分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋3類。熱裂紋中主要產(chǎn)生結(jié)晶裂紋，它是在焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足不能及時填充，在凝固收縮應(yīng)力或外力的作用下發(fā)生沿晶開裂，這種裂紋主要產(chǎn)生在含雜質(zhì)較多的碳鋼、低合金鋼焊縫和某些鋁合金；液化裂紋是在熱影響區(qū)中被加熱到高溫的晶界凝固時的收縮應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。

5、缺陷的防止措施

5.1氣孔的防止措施

鋁合金是最容易形成焊縫氣孔的金屬，本文在焊接工藝試驗的基礎(chǔ)上，分析了鋁合金焊接對氣孔的敏感性及焊接工藝方法和保護氣體對鋁合金焊縫中氣孔的影響。結(jié)果表明：通過對鋁合金基材和焊接材料表面狀況、保護氣體的純度、焊接工藝參數(shù)等的合理控制，可以有效減少鋁合金焊縫中的氣孔。鑒于MIG焊的工藝特點，其比TIG焊使鋁合金焊縫具有更大的氣孔傾向。采用混合氣體保護可有效改善非平位鋁合金焊縫的質(zhì)量。

5.2裂紋的防止措施

根據(jù)鋁合金焊接時產(chǎn)生熱裂紋的機理，可以從工藝因素方面進行改進，降低鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的機率。

在工藝因素上，主要是焊接規(guī)范、預(yù)熱、接頭形式和焊接順序，這些方法都是從焊接應(yīng)力上著手來解決焊接裂紋。焊接工藝參數(shù)影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過程中的應(yīng)變增長速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進行焊接過程，可防止形成方向性強的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性。采用小的焊接電流，減慢焊接速度，可減少熔池過熱，也有利于改善抗裂性。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)變速度，而增大熱裂的傾向。可見，增大焊接速度和焊接電流，都促使增大裂紋傾向。在鋁結(jié)構(gòu)裝配、施焊時不使焊縫承受很大的鋼性，在工藝上可采取分段焊、預(yù)熱或適當降低焊接速度等措施。通過預(yù)熱，可以使得試件相對膨脹量較小，產(chǎn)生焊接應(yīng)力相應(yīng)降低，減小了在脆性溫度區(qū)間的應(yīng)力；盡量采用開坡口和留小間隙的對接焊，并避免采用十字形接頭及不適當?shù)亩ㄎ弧⒑附禹樞颍缓附咏Y(jié)束或中斷時，應(yīng)及時填滿弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑裂紋。

參考文獻：

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