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(jìn)的工藝性，同時(shí)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(jī)械性能和其他性能。同時(shí)，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(jìn)行探討，并針對鋁合金焊接中常見問題及預(yù)防措施進(jìn)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(jìn)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(qiáng)化鋁合金和不可熱處理強(qiáng)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(qiáng)度鋁合金、中強(qiáng)度鋁合金、熱強(qiáng)鋁合金和耐蝕鋁合金。

2、鋁合金熱處理特點(diǎn)

“熱處理”這一名詞，從廣義上講，是指改變金屬產(chǎn)品的機(jī)械性能，冶金機(jī)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)化的合金。即一般所謂“非熱處理”合金。后一類合金，當(dāng)其處于鍛壓形式時(shí)，主要是靠冷加工來提高強(qiáng)度。這兩類合金都可以通過加熱來降低強(qiáng)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(shí)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(xué)性能，并增強(qiáng)耐腐蝕性能，提高合金的機(jī)械強(qiáng)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(yán)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(jī)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(diǎn)聚集，從而消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力，達(dá)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(shí)間和冷卻溫度。一般情況下，如果淬火加熱溫度值和保溫時(shí)間取值越大，則強(qiáng)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(jìn)合金時(shí)效作用的提高。

3.3時(shí)效處理

時(shí)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(gè)溫度，保溫一定時(shí)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(gè)溫度（如-50℃、-70℃、-195℃）并保溫一定時(shí)間，再把鑄件加熱到350℃以下，使合金中度固溶體點(diǎn)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(diǎn)陣內(nèi)的原子偏聚區(qū)和金屬間化合物的質(zhì)點(diǎn)處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)，達(dá)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(shí)間的實(shí)踐結(jié)果表明，使用純氬氣做保護(hù)氣體焊接的時(shí)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(hù)氣體進(jìn)行焊接的時(shí)候，焊縫接頭斷面微觀結(jié)果顯示出現(xiàn)的單個(gè)的細(xì)小氣孔甚至無氣孔。

氣孔的形成原因

高強(qiáng)鋁合金用NaOH+HNO3進(jìn)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(shí)，就會表現(xiàn)出較好的強(qiáng)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(dāng)溫度高于或者低于它的脆性溫度區(qū)時(shí)，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(gè)區(qū)間作用的時(shí)間比較短，使得焊縫的總應(yīng)變量比較小，因此焊接時(shí)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(gè)區(qū)間的作用時(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(yàn)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(hù)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(hù)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(diǎn)，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(hù)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(shí)產(chǎn)生熱裂紋的機(jī)理，可以從工藝因素方面進(jìn)行改進(jìn)，降低鋁合金焊接熱裂紋產(chǎn)生的機(jī)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(jìn)行焊接過程，可防止形成方向性強(qiáng)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?？梢姡龃蠛附铀俣群秃附与娏?，都促使增大裂紋傾向。在鋁結(jié)構(gòu)裝配、施焊時(shí)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(dāng)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(dāng)?shù)亩ㄎ弧⒑附禹樞?；焊接結(jié)束或中斷時(shí)，應(yīng)及時(shí)填滿弧坑，然后再移去熱源，否則易引起弧坑裂紋。

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