大型高强韧铝铜合金铸件补焊技术

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1、2013中国铸造活动周论文集大型高强韧铝铜合金铸件补焊技术付隔清（中航工业第572厂，湖南长沙）摘要:高强韧铝铜合金抗拉强度500～540MPa，屈服强度440～480MPa，伸长率4.0％～9.0％，受到了航空航天、武器装备等行业的普遍关注。但该合金凝固区间为633～544℃，相差89℃，合金呈糊状凝固，铸件补焊时易产生热裂纹缺陷，尤其是大型部件。本文对铝铜合金铸件补焊热裂纹形成机理进行了研究，采用添加微量元素的焊丝并配以成套焊接工艺，解决了该技术难题。关键词：大型高强韧；铝铜合金；补焊随着航空、航天技术的飞速发展，各种新型

2、航空飞行器向大型、高速、多载、长寿命和确保飞行安全的方向发展，这就要求结构材料要具有更高的强度，更好的断裂韧性、抗应力腐蚀性能和抗疲劳性能。高强韧铸造铝合金是能够满足要求的传统材料之一。高强韧铝铜抗拉强度500～540MPa，屈服强度440～480MPa，伸长率4.0％～9.0％，是我国研制的目前世界上力学性能最优的铝合金之一，受到了广泛的关注。但由于铸造性能差，自上世纪80年代研制成功后，30年来仅在小型部件得到应用。应国家武器装备发展需求，近年来也采用铝铜合金应用于大型部件，其轮廓尺寸为2000mm×800mm，结构复杂。

3、其它方法无法生产如此大型部件，同时铸造方法具有周期短、成本低的优势，但该铸件补焊时易产生热裂纹缺陷，是技术要求中明确规定不能存在的缺陷，铸件常多次补焊也不合格，成为该类大型部件生产的主要技术难题之一，研制出合格部件非常困难。本文对此进行了深入研究，并最终解决了该技术难题。1补焊热裂纹机理分析1.1铸件补焊热裂纹形貌图1为铝铜合金铸件补焊热裂纹在探伤底片上的形貌，生产中发现这种热裂纹极不规则，出现的位置也无规律。图1铝铜合金铸件补焊热裂纹形貌1.2裂纹形成机理12013中国铸造活动周论文集图2有效结晶温度区间与热裂关系图3Al－

4、Cu二元合金相图有效结晶温度区间决定了合金的热裂敏感性，如图2所示，理想状况下合金在固溶点有效结晶温度最宽，此时合金热裂倾向最大。铝铜合金Cu含量一般为4.6%～5.3%，根据图3所示的Al－Cu二元合金相图，处于固溶点稍靠左，但实际生产为不平衡结晶，固、液相线要稍向左下偏移，因此在不平衡结晶条件下，铝铜合金Cu含量正好处于固溶点附近，因此热裂倾向大。图4铝铜合金金相照片图4中黑色条块为低熔点相，分布于晶界。在这些部位进行电子探针微区成分分析，如表1。表1电子探针成分分析结果元素编号备注Al（％）Cu（％）1#51.848.2

5、低熔点相2#53.446.6低熔点相3#55.744.3低熔点相4#94.95.1ɑ相由此可知，低熔点相为Al2Cu。据相关资料报道，该相熔点为548℃，常分布于晶界，最后凝固。焊接时，当凝固区域大体骨架已经形成时，这些地方仍为液态，在应力作用下开裂形成热裂纹缺陷。22013中国铸造活动周论文集2解决措施及工艺技术2.1微量元素对合金热裂敏感性的影响通过前面对热裂纹产生机理的研究，要解决补焊热裂纹问题，就要从低熔点相入手，因此进行了添加微量元素的试验。图5添加微量元素后的金相照片根据液膜理论，热裂纹的形成是由于铸件在凝固末期晶

6、间存在液膜和铸件在凝固过程中受拉应力共同作用的结果，即当合金冷却到液相线以下某温度后，枝晶彼此接触，连成骨架，并不断挤在一起，晶间存在液相但很少，液体流动困难，不能补缩，在拉应力作用下产生裂纹。液膜所承受的拉应力为：p＝－σ/r式中：σ—液膜的表面张力；r—液膜凹面的曲率半径。r由液膜厚度决定，液膜越薄则r越小，p越大，即合金凝固末期所能承受的拉应力越大。对比图4、图5，黑色相为低熔点物质，是凝固末期的液膜，可以看出液膜明显变薄了，因此提高了合金抗热裂能力。如果考虑液膜的表面张力，稀土元素为活性元素，添加后一定程度上可能降低了

7、液膜界面张力σ，增加合金热裂倾向，不过相比液膜厚度的减小，液膜界面张力σ为次要因素。2.2补焊工艺采用添加微量元素的焊丝，并配以如表2的焊接工艺，基本解决了铸件补焊热裂纹难题，铸件补焊一次合格率达到80％，一次未合格一般最多返修3次即合格。表2补焊工艺参数铸件壁厚焊接电流焊接速度钨极直径氩气流量焊丝直径/mm/A/(m/h)/mm/(l/min)/mm10~20110~16020~25Φ3.214~201.620~40200~25015~18Φ4.824~28340~60270~32012~15Φ4.880~9043结束语近年

8、来应发展需要大型复杂高强韧铝铜合金铸件，但由于局部小缺陷难以补焊，成品率极低，不能满足国家武器装备研制需求，同时也不能体现铸造方法周期短、成本低的优势。通过焊丝和配套焊接工艺的研究，最终解决了该技术难题。经过近一年的生产实践验证，效果良好。该技术形成的意义不仅仅在于解决铝铜合